СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1994 года по МПК B60M3/00 

Изобретение относится к тяговой сети постоянного тока электрифицированного транспорта и может быть использовано в тяговых сетях городского наземного транспорта, метрополитенов и пригородных участков электрических железных дорог.

Известна система тягового электроснабжения (СТЭ) с накопителем энергии (НЭ) (прототип), содержащая датчик приближения транспортного средства (ДПТС), двигатель-генератор, маховик.

Недостатком указанной системы является наличие масс (маховик и ротор двигатель-генератора), вращающихся с большой скоростью, требующих тщательной балансировки, магнитного подвеса, вакуумных камер для их размещения. Мощный двигатель-генератор при этом используется нерационально. Все это выливается в невысокий КПД, не превышающий 0,7
Целью изобретения является повышение КПД СТЭ с НЭ.

Это достигается тем, что в СТЭ, содержащей стационарный НЭ, ДПТС, вводятся устройство, регистрирующее наличие пульсаций в выпрямленном напряжении тяговой сети, присутствующих при работе выпрямителей подстанции и отсутствующих при запирании выпрямителей постоянным напряжением рекуперирующего транспортного средства датчик рекуперации ДР), датчик напряжения контактной сети (ДНКС), а в качестве накопителя энергии используется емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), контрольные выходы которого соединены с соответствующими входами обратной связи узла управления, а управляющие входы - с соответствующими выходами узла управления, при этом датчик рекуперации энергии и датчик напряжения контактной сети включены между контактной сетью и соответственно вторым и третьим сигнальными входами узла управления.

Известно устройство заряда накопительного конденсатора. Однако оно не может быть использовано в СТЭ, так как не обеспечивает перехода режима заряда накопительного конденсатора от источника постоянного напряжения (в схеме СТЭ это соответствует заряду ЕНЭ от тяговой подстанции) в режим заряда от источника тока (в схеме СТЭ это соответствует заряду ЕНЭ током рекуперирующего транспортного средства (ТС)), а также не обеспечивает перехода от указанных режимов заряда ЕНЭ к режиму его разряда в тяговую сеть на нагрузку.

Предлагаемая схема ЕНЭ в СТЭ отличается наличием датчиков тока и ключей в цепях дозирующих реакторов и в цепи блока накопительных конденсаторов (БНК), наличием вновь введенных цепей, соединяющих "плюс" и "минус" шины БНК через ключи соответственно с контактной сетью и рельсами, а также блоком управления, выполняющим более широкие функции, нежели в известном устройстве заряда накопительных конденсаторов, а именно управляющим не только работой тиристоров, но и всех упомянутых ключей.

Из научно-технической и патентной литературы СТЭ с ЕНЭ, выполненная по предлагаемой схеме, не известна, поэтому предлагаемая СТЭ с ЕНЭ обладает новизной. Наличие ключей и датчиков тока в ЕНЭ, отличающее его от известной схемы заряда накопительного конденсатора, также не известно, поэтому предлагаемая схема ЕНЭ обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 показана схема СТЭ с ЕНЭ; на фиг. 2 - диаграмма работы ЕНЭ в режиме заряда от тяговой подстанции; на фиг. 3 - диаграмма работы ЕНЭ в режиме заряда от рекуперирующего электропоезда; на фиг. 4 - диаграмма работы ЕНЭ в режиме разряда на тяговую нагрузку; на фиг. 5 - схема ЕНЭ с добавочным сопротивлением.

Система содержит выпрямительную тяговую подстанцию 1, контактную сеть 2, транспортное средство (ТС) 3, рельсы 4, датчик приближения транспортного средства (ДПТС) 5, датчик рекуперации (ДР) 6, датчик напряжения контактной сети (ДНКС) 7, блок управления (БУ) 8, емкостный накопитель энергии (ЕНЭ) 9, состоящий из первой и второй параллельных ветвей, составленных из последовательно соединенных соответственно первого и второго ключей 10, 11, первого и второго дозирующих реакторов 12, 13, первого и второго датчиков 14, 15 тока, первого и второго тиристоров 16, 17, между анодами тиристоров включены коммутирующий конденсатор 18 и два встречно соединенных диода 19, 20, общий вывод последних через последовательно включенные третий ключ 21, блок накопительных конденсаторов (БНК) 22, третий датчик 23 тока и четвертый ключ 24 соединен с общим выводом первого и второго ключей 10, 11, общий вывод третьего датчика тока 23 и четвертого ключа 24 через пятый ключ 25 соединен с объединенными катодами тиристоров 16, 17, а общий вывод БНК 22 и третьего ключа 21 через шестой ключ 26 соединен с общим выводом первого 10, второго 11 и четвертого 24 ключей. При этом силовой вход накопителя 27, 28 образован общим выводом первого 10, второго 11 и четвертого 24 ключей и объединенными катодами тиристоров 16, 17, в качестве его управляющих входов использованы управляющие входы ключей 10, 11, 21, 24, 25, 26 и тиристоров 16, 17, а в качестве контрольных выходов - выходы датчиков тока 14, 15, 23.

В исходном положении все ключи разомкнуты, тиристоры находятся в непроводящем состоянии, на управляющие электроды их поступают импульсы тока с частотой f, ток через реакторы не течет, БНК заряжен до минимального напряжения U_cо, меньшего напряжения холостого хода тяговой подстанции U_xx. При прохождении ТС 3 по месту присоединения ДПТС 5 последний срабатывает и передает сигнал в БУ 8, который собирает цепи заряда БНК 22 при помощи дозирующих реакторов 12, 13, для чего БУ 8 выдает команду на замыкание ключей 10, 11, 21, 24. Пусть это происходит в момент времени t₁ (фиг. 2), когда импульс тока поступает на управляющий электрод тиристора 16. Тиристор 16 открывается и начинает течь ток по цепи от тяговой подстанции 1 по контактной сети 2, далее через шину 27, ключ 10, реактор 12, ДТ 14, тиристор 16, шину 28 и рельсы 4 к тяговой подстанции 1. Одновременно по цепи через ключ 11, реактор 13, ДТ 15, тиристор 16 заряжается коммутирующий конденсатор 18 до напряжения контактной сети. Через определенное время, задаваемое частотой БУ 8, в момент t₂ (фиг. 2) приходит управляющий импульс на тиристор 17, последний открывается и напряжение коммутирующего конденсатора 18 прикладывается к тиристору 16. Тиристор 16 запирается, цепь зарядки реактора 12 разрывается и дозирующий реактор 12 разряжается одновременно на коммутирующий конденсатор 18 и БНК 22. При этом конденсатор 18 перезаряжается, в БНК 22 подзаряжается на величину энергии, накопленной в реакторе 12. Одновременно с разрядом реактора 12 на БНК 22 происходит процесс зарядки другого реактора 13 током от подстанции 1 по контактной сети 2 через шину 27, ключ 11, ДТ 15, тиристор 17, шину 28, рельсы 4 к тяговой подстанции 1. Через промежуток времени, определяемый БУ 8 в момент t₃ (фиг. 2) подается управляющий импульс на тиристор 16. Напряжение коммутирующего конденсатора прикладывается к тиристору 17, запирая его. Дозирующий реактор 13 разряжается на конденсатор 18, перезаряжая его, и дополнительно подзаряжает БНК 22. Одновременно повторяется процесс заряда реактора 12 и так далее до тех пор, пока БНК 22 не зарядится до напряжения U_xxтяговой подстанции 1.

Вышеописанный режим представляет собой режим заряда ЕНЭ от источника постоянного напряжения (тяговой подстанции), который для повышения КПД и производится с помощью дозирующих реакторов.

При достижении напряжения на БНК 22 напряжения холостого хода тяговой подстанции 1 БУ 8 переводит ЕНЭ в ждущий режим, из которого в зависимости от ситуации ЕНЭ может перейти или к режиму заряда от источника тока (рекуперирующего ТС) или к продолжению заряда от источника напряжения (тяговой подстанции).

Для перехода в ждущий режим БУ 8 обеспечивает размыкание ключей 10, 11 в бестоковые паузы, которые контролируются ДТ 14 и 15. Предположим, БНК 22 зарядился до U_xx в момент времени t₄ (фиг. 4), тогда при достижении тока в реакторе 12 нуля в момент времени t₅ (о чем сообщит ДТ 15) начинается размыкание ключа 11, оно должно быть завершено за время бестоковой паузы до момента времени t₆. Точно также происходит размыкание ключа 10 в момент времени t₇. После этого БУ 8 выдает команду на размыкание r_ключей 21, 24. Так как все отключения происходят в бестоковые паузы, то специальных требований к ключам не предъявляется, кроме быстродействия. Поэтому ключи могут быть механическими, электромагнитными, статическими (тиристорными). Таким образом БНК 22 переходит в ждущий режим.

Из ждущего режима выход может быть двоякий. Если ТС 3 применяет рекуперативное торможение с выдачей электроэнергии в контактную сеть 2, а напряжение в контактной сети не поднимается выше напряжения холостого хода U_хх тяговой подстанции 1, то это означает, что рекуперированный ток питает другое ТС, идущее в тяговом режиме, тогда по окончании рекуперации, спустя какое-то время после прохождения ДПТС, БНК 22 переходит из ждущего режима в вышеописанный режим заряда при помощи дозирующих реакторов 12, 13, который продолжается до тех пор, пока БНК 22 не зарядится до максимально возможного напряжения контактной сети U_кcmax, чтобы накопить энергию для разряда на трогающееся ТС. Для такого накопления энергии хватает времени стоянки ТС.

Если ТС 3 применяет рекуперативное торможение с выдачей электроэнергии в тяговую сеть, напряжение в контактной сети становится выше напряжения U_xx, то в момент времени t_s (фиг. 3) ЕНЭ по команде ДР 6 переходит в режим приема тока рекуперации. Для этого БУ 8 выдает команды на замыкание ключей 25, 26, которыми БНК 22 непосредственно подключается к тяговой сети. Как только в момент времени t₉ (фиг. 3) ток заряда спадет до нуля, о чем сообщит ДТ 23, БУ 8 подает команду на размыкание ключей 25, 26, переводя тем самым БНК 22 в ждущий режим. Ясно, что параметры БНК 22 должны быть рассчитаны таким образом, чтобы за время приема тока рекуперации БНК 22 заряжался до напряжения U_БНКmax = U_ксmax.
Возможен режим, когда прием тока рекуперации осуществляется другим ТС и БНК одновременно. В этом случае по окончании рекуперации БНК 22 дозаряжается до U_кс max с помощью дозирующих реакторов 12, 13, как и в первом случае.

На КПД заряда ЕНЭ в основном окажут влияние потери в тяговой сети от зарядных токов (при заряде БНК от тяговой подстанции). Учитывая параметры реальных СТЭ. КПД заряда будет лежать в пределах 0,93-0,97. Накопленная в БНК 22 энергия должна быть передана трогающемуся ТС, для этого ЕНЭ должен быть переведен в режим разряда. При трогании ТС в момент времени t₁₀ (фиг. 4) напряжение в контактной сети 2, вследствие больших пусковых токов, скачкообразно уменьшится, о чем и поступит сигнал в БУ 8 от ДНКС 7. БУ 8 выдаст команду на замыкание ключей 25, 26, тем самым переводя БНК 22 из ждущего режима в режим разряда. Разряд длится до тех пор, пока напряжение БНК 22 выше напряжения контактной сети 2. По окончании разряда (в момент времени t₁₁ разрядный ток снижается до нуля и ДТ 23 сообщает об этом) БУ 8 выдает команду на размыкание ключей 25, 26, переводя БНК 22 в ждущий режим до следующего заряд-разрядного цикла. КПД разряда будет максимальный, так как БНК разряжается на тяговую нагрузку, находящуюся в непосредственной близости от ЕНЭ.

Схема ЕНЭ, изображенная на фиг. 1, при определенных параметрах СТЭ, имеет недостаток - низкий коэффициент использования блока накопительных конденсаторов.

При заряде БНК 22 от тяговой подстанции при помощи дозирующих реакторов 12, 13 должно выполняться требование, чтобы время заряда дозирующего реактора до максимального тока было больше или равно времени разряда дозирующего реактора на БНК (см. фиг. 2), т. е. t_3L≥t_pL (1) где
t_зL= · ln ; t_рL= ·arctg ;
ω = ;
ω₀= 1/;
a= (r_L+r_c)/(2˙L);
r_TC - приведенное сопротивление тяговой сети, Ом; r_L,
r_C - активные сопротивления дозирующего реактора и ошиновки модульной конструкции БНК, Ом;
L - индуктивность дозирующего реактора, Гн;
U_xx - напряжение холостого хода тяговой подстанции, В;
I_m - максимальный ток дозирующего реактора, А;
С - емкость БНК, Ф. Допуская для упрощения и не сделав большой ошибки, что (r_L + r_C) -> 0 и принимая во внимание значения параметров реальных систем тягового электроснабжения постоянного тока, переписывают формулу (1):
·ln ≥ L· , (2) откуда
U_СО≥ (3)
При достаточно низком сопротивлении тяговой сети r_тс (что необходимо во избежание пережогов контактной сети) и небольшом максимальном токе I_m (что необходимо во избежание больших потерь в тяговой сети) величина минимально возможного напряжения "мертвого объема" БНК U_CОmin близка к U_xx. Например, подставляют в (3) параметры реальной СТЭ электрических железных дорог: U_xx = 3600 B, Im = 1000 A, r_тс = 0,15 Ом
U_СО≥ = 3520 В Таким образом, схема заряда БНК при помощи дозирующих реакторов по схеме фиг. 1 сможет работать только лишь начиная с напряжения U_CОmin = 3520 В, что предопределяет низкий коэффициент использования БНК.

Для устранения этого недостатка в схему ЕНЭ введен регулируемый резистор 29, включенный в цепь 27 связи общего вывода первого 10, второго 11 и четвертого 24 ключей с контактной сетью, при этом соответствующий вывод шестого ключа 26 соединен с выводом резистора 29 со стороны контактной сети 2.

Добавочное сопротивление уменьшает скорость нарастания тока в дозирующем реакторе, увеличивая тем самым время заряда реакторов до I_m, т. е. добавочное сопротивление увеличивает t_зL и не влияет, при этом на t_pL (см. формулу (1)).

Формула (3) примет вид
U_СО≥ , (4) где r_д - величина переменного сопротивления.

Подставим в (4) вышепредложенные параметры СТЭ и r_д = 0,55 Ом
U_СО≥ = 3230 В . Таким образом, при величине дополнительного сопротивления r_д = 0,55 Ом - U_CОmin = = 3230 В. По мере заряда БНК продолжительность импульса разрядного тока реактора уменьшается, поэтому можно уменьшать и время заряда реактора до I_m уменьшая величину добавочного сопротивления. При заряде БНК до напряжения, при котором выполняется условие (3), необходимость в r_д отпадет и его величина равна нулю.

Наличие добавочного сопротивления негативно скажется на КПД заряда ЕНЭ, однако расчеты, произведенные по приведенному выше примеру, показали, что КПД заряда с применением в схеме ЕНЭ регулируемого резистора, будет лежать в пределах 0,85-0,95. (56) Заявка Японии N 61-35011, кл. В 60 М 3/06, 1986.

Использование: тяговые сети городского наземного транспорта, метрополитенов и пригородных участков электрических железных дорог. Сущность изобретения: устройство содержит выпрямительную тяговую подстанцию, соединенную с контактной сетью и рельсом, накопитель энергии, узел управления, датчик приближения транспортного средства, датчик рекуперации энергии и датчик напряжения контактной сети. Накопитель энергии выполнен в виде переключаемого конденсаторного накопителя. Его применение позволяет лучше использовать энергию рекуперации, т. е. уменьшить потери энергии в контактной сети от рекуперированных токов и использовать рекуперированную энергию для последующего разгона транспортного средства. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащая выпрямительную тяговую подстанцию, соединенную с контактной сетью и рельсом, к которым подключен силовой вход накопителя энергии, узел управления, первый сигнальный вход которого подключен к выходу датчика приближения транспортного средства, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, в нее введены датчик рекуперации энергии и датчик напряжения контактной сети, а накопитель энергии выполнен в виде переключаемого емкостного накопителя, контрольные выходы которого соединены с соответствующими входами обратной связи узла управления, а управляющие входы - с соответствующими выходами узла управления, при этом датчик рекуперации энергии и датчик напряжения контактной сети включены между контактной сетью и соответственно вторым и третьим сигнальными входами узла управления. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в переключаемом емкостном накопителе первая и вторая параллельные ветви составлены из последовательно соединенных соответственно первого и второго ключей, первого и второго дозирующих реакторов, первого и второго датчиков тока, первого и второго тиристоров, между анодами тиристоров включены коммутирующий конденсатор и два встречно соединенных диода, общий вывод последних через последовательно включенные третий ключ, блок накопительных конденсаторов, третий датчик тока и четвертый ключ соединен с общим выводом первого и второго ключей, общий вывод третьего датчика тока и четвертого ключа через пятый ключ соединен с объединенными катодами тиристоров, а общий вывод блока накопительных конденсаторов и третьего ключа через шестой ключ соединен с общим выводом первого, второго и четвертого ключей, при этом силовой вход накопителя образован общим выводом первого, второго и четвертого ключей и объединенными катодами тиристоров, в качестве его управляющих входов использованы управляющие входы ключей и тиристоров, а в качестве контрольных выходов - выходы датчиков тока. 3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что в переключаемый накопитель энергии введен регулируемый резистор, включенный в цепь связи общего вывода первого, второго и четвертого ключей с контактной сетью, при этом соответствующий вывод шестого ключа соединен с выводом резистора со стороны контактной сети.