СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УПРАВЛЯЕМЫМ ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ Российский патент 2025 года по МПК B60M3/02 

Изобретение относится к области электротехнических систем, а именно к системам электроснабжения подвижного состава железнодорожного транспорта, работающим на переменном токе.

В настоящее время вопросы обеспечения пропускной способности и энергетической эффективности электрифицированных железных дорог России являются особо актуальными. Выполнение этой задачи требует строительства дополнительной энергетической инфраструктуры, установки дополнительных понижающих трансформаторов, что финансово очень затратно и требует времени. В связи с этим альтернативным решением, направленным на повышение энергетической эффективности и обеспечение пропускной способности железных дорог переменного тока, является управление уровнем напряжения в системе тягового электроснабжения переменного тока за счет применения активных устройств.

Известно устройство тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором [1] (Алексеенко М. В., Косарев А. Б., Косарев Б. И., Сербиненко Д. В., №148425, опубл. 10.12.2014, бюл. №34), состоящее из тягового трансформатора, первичная обмотка которого подключается к системе внешнего электроснабжения, а вторичная тяговая обмотка питает соответственно напряжением отстающей и опережающей фаз контактную сеть с соответствующими токами электровозов, а основная обмотка многофункционального вольтодобавочного трансформатора подсоединяется одним выводом к отстающей или опережающей фазам тяговой обмотки тягового трансформатора, причем вольтодобавочная обмотка многофункционального вольтодобавочного трансформатора, взаимоиндуктивно связанная с основной и компенсационной обмотками, включена в цепь отсоса тяговой подстанции, а к компенсационной обмотке подключена регулируемая конденсаторная установка.

Описанное устройство позволяет увеличить напряжение в тяговой сети и повысить пропускную способность электрифицированного участка. Недостатком устройства является то, что оно не позволяет регулировать уровень напряжения, что в условиях резко переменной тяговой нагрузки не позволяет реализовать энергоэффективный режим работы системы тягового электроснабжения.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемой функции к заявляемому изобретению является устройство выравнивания напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций [2] (Константинова Ю. А., Тряпкин Е. Ю., Ли В. Н., Константинов А. М., №2741158, опубл. 22.01.2021, бюл. №3), содержащее однофазный вольтодобавочный трансформатор, входной однофазный трансформатор, к вторичной обмотке которого последовательно подключены однофазный выпрямитель, сглаживающий фильтр, однофазный инвертор и выходной фильтр, который выходными зажимами подключен к первичной обмотке однофазного вольтодобавочного трансформатора, а его вторичная обмотка включена в рассечку фидера контактной сети на первой тяговой подстанции, а первичная обмотка входного однофазного трансформатора подключена началом к фидеру контактной сети, а концом к фидеру обратного тока первой тяговой подстанции, причем управляющий вход однофазного инвертора подключен к выходу блока управления инвертором, а его вход присоединен к выходу блока сравнения, у которого его первый вход подключен к выходу блока определения параметров вектора напряжения первой тяговой подстанции, а второй вход присоединен к выходу блока определения параметров вектора напряжения второй тяговой подстанции, при этом первые входы блоков определения параметров вектора напряжения первой и второй тяговых подстанций присоединены к выходам датчиков напряжения соответственно первой и второй тяговых подстанций, вместе с этим входы датчиков напряжения присоединены к вторичной обмотке измерительных трансформаторов напряжения первой и второй тяговой подстанции, а вторые входы блоков определения параметров вектора напряжения первой и второй тяговых подстанций присоединены к выходам соответствующих блоков формирования опорного импульса первой и второй тяговых подстанций, входы которых соединены каналами связи с системой искусственных спутников Земли.

К недостаткам известного устройства относится недостаточная функциональность для решения задачи обеспечения пропускной способности системы тягового электроснабжения переменного тока. Это связано с тем, что известное устройство ориентировано на выравнивание уровня напряжения соседних тяговых подстанций, однако при этом напряжение в середине межподстанционной зоны может оказаться меньше допустимого уровня, установленного Правилами технической эксплуатации железных дорог. Кроме того, в известном устройстве первичная обмотка входного однофазного трансформатора подключена началом к фидеру контактной сети, а концом к фидеру обратного тока первой тяговой подстанции, что в условиях мощной тяговой нагрузки может привести к увеличению коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности на шинах понижающего трансформатора, перегрузке и перегреву отдельных обмоток понижающего трансформатора и снижению пропускной способности.

Заявляемое изобретение позволяет устранить указанные недостатки.

Целью изобретения является повышение пропускной способности системы тягового электроснабжения и улучшение качества электроэнергии по показателю несимметрии напряжений.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного прототипа в заявляемую систему тягового электроснабжения железных дорог переменного тока с управляемым вольтодобавочным трансформатором дополнительно введены устройство коммутации питающей обмотки вольтодобавочного трансформатора и датчик напряжения в середине межподстанционной зоны, причем датчики напряжения и тока питающих линий тяговой подстанции соединены через сравнивающее устройство с устройством коммутации питающей обмотки вольтодобавочного трансформатора, а датчики напряжения на тяговой подстанции и в середине межподстанционной зоны соединены с системой управления однофазным инвертором.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой системы. Система работает следующим образом.

От системы внешнего электроснабжения трехфазное напряжение подается на трехфазный понижающий трансформатор 1, который снижает его до необходимого уровня. На межподстанционных зонах, прилегающих к тяговой подстанции, находится электроподвижной состав 2 и 3, питание к которому подается через контактную сеть 4 и тяговую рельсовую сеть 5. Для управления уровнем напряжения в тяговой сети установлен управляемый вольтодобавочный гибридный трансформатор 12, имеющий двухтрансформаторную структуру. Датчики напряжения 6 и 7 и датчики тока 8, 9 подают измерительную информацию о напряжениях и токах питающих линий контактной сети на сравнивающее устройство 10, которое определяет наиболее загруженное плечо питания тяговой подстанции исходя из значения полной мощности нагрузки. Управляющий сигнал от сравнивающего устройства 10 поступает на устройство коммутации питающей обмотки вольтодобавочного трансформатора 11, которое подключает питающую обмотку входного однофазного трансформатора 13 к наименее загруженному плечу питания тяговой подстанции. За счет этого обеспечивается выравнивание загрузки фаз трехфазного понижающего трансформатора 1 и снижение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности.

При этом напряжение с входного однофазного трансформатора 13 подается на выпрямитель 14. Ток выпрямляется однофазным выпрямителем 14 и преобразуется в постоянный ток, который сглаживается с помощью сглаживающего фильтра 15. Однофазный инвертор с широтно-импульсной модуляцией 16 преобразует постоянный ток обратно в переменный с контролируемыми параметрами, получая команды от блока управления однофазным инвертором 17. Одновременно с этим на блок управления однофазным инвертором 17 подается измерительная информация от датчиков напряжения 7 и 19, причем датчик напряжения 19 установлен в середине межподстанционной зоны, например, на посту секционирования. Блок управления однофазным инвертором 17 на основании сигналов от датчиков напряжения 7 и 19 направляет управляющий сигнал на формирование вольтодобавки, значение которой достаточно для поддержания в середине межподстанционной зоны напряжения не ниже допустимого уровня, установленного Правилами технической эксплуатации железных дорог. Выходное напряжение вольтодобавки синхронизируется по фазе с напряжением плеча тяговой подстанции. Выходной однофазный трансформатор 18 получает питание от однофазного инвертора 16, причем его вторичная обмотка подключена последовательно с нагрузкой, что позволяет добавлять или вычитать напряжение для стабилизации выходного напряжения. За счет этого обеспечивается пропускная способность участка железной дороги по уровню напряжения в контактной сети.

Технико-экономический эффект от применения заявляемого изобретения заключается в повышении пропускной способности электрифицированного участка железной дороги и улучшении качества электроэнергии по показателю несимметрии напряжений.

Пример работы системы проиллюстрирован на фиг.2.

Пусть ЭДС обмоток понижающего трансформатора равны между собой и сдвинуты на угол 120°, образуя симметричную систему питающих напряжений, а сопротивления этих обмоток равны

Предположим, что левое плечо тяговой подстанции питается напряжением (опережающая фаза), а правое плечо - напряжением (отстающая фаза) (см. фиг.2, а). Вторичная обмотка гибридного однофазного вольтодобавочного трансформатора подключена последовательно с нагрузкой отстающей фазы. Слева от тяговой подстанции расположены два электровоза, сопротивление которых обозначено z₁, z₂ с токами а справа - один электровоз с сопротивление z₃ и током В этом случае ток левого плеча тяговой подстанции будет равен а правого плеча - Датчики напряжения и тока 6-9 (см. фиг.1) подают информацию на сравнивающее устройство 10, которое дает команду устройству коммутации 11 включить первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора на менее загруженную отстающую фазу правого плеча . Одновременно с этим с датчиков напряжения 7 и 19 на блок управления однофазным инвертором 17 подается информация об уровне напряжения на питающей линии контактной сети и в середине межподстанционной зоны, на основании чего формируется необходимая вольтодобавка, обеспечивающая пропускную способность участка железной дороги. Предположим, что ток первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора при этом будет составлять 10% от тока

Рассчитаем токи, протекающие в обмотках понижающего трансформатора (фиг.2, а), по формулам, составленным с учетом [3]:

Напряжения обмоток понижающего трансформатора можно определить по формулам:

В результате расчета получим что соответствует коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности

Предположим, что электровоз с током переместился в следующую межподстанционную зону, которая запитана от правого плеча тяговой подстанции (фиг.2, б). В этом случае менее загруженной становится опережающая фаза левого плеча тяговой подстанции, в результате чего устройство коммутации 11 переключает первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора на напряжение . Тогда формулы (1) преобразуются следующим образом:

Так как нагрузка отстающей фазы увеличилась, снижается напряжение, контролируемое датчиком 19. В результате этого блок управления однофазным инвертором 17 дает команду об увеличении необходимой вольтодобавки до уровня, обеспечивающего пропускную способность участка железной дороги. Предположим, что ток первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора при этом будет составлять 20% от тока причем фаза этого тока будет совпадать с фазой тока .

Расчеты показывают, что напряжения обмоток понижающего трансформатора при этом составят что соответствует коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности В случае, если бы устройство коммутации не переключалось в зависимости от загрузки плеч подстанции, коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности был бы выше и составил бы Таким образом, предлагаемое изобретение не только позволяет повысить пропускную способность электрифицированного участка железной дороги, но и обладает эффектом симметрирования напряжений.

Литература

1. Устройство тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором. Алексеенко М.В., Косарев А.Б., Косарев Б.И., Сербиненко Д.В., №148425, опубл. 10.12.2014, бюл. №34.

2. Устройство выравнивания напряжений на шинах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций. Константинова Ю. А., Тряпкин Е. Ю., Ли В. Н., Константинов А. М., №2741158, опубл. 22.01.2021, бюл. №3.

3. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: учебник для ВУЗов. Москва, Транспорт, 1982.

Изобретение относится к системам электроснабжения подвижного состава железнодорожного транспорта. Система тягового электроснабжения железных дорог переменного тока с управляемым вольтодобавочным трансформатором содержит тяговую подстанцию с трехфазными понижающими трансформаторами, контактную сеть, тяговую рельсовую сеть, управляемый вольтодобавочный гибридный трансформатор, реализованный по двухтрансформаторной схеме с однофазным выпрямителем, сглаживающим фильтром, однофазным инвертором, системой управления однофазным инвертором и выходным фильтром, датчики напряжения и тока на питающих линиях тяговой подстанции, сравнивающее устройство, устройство коммутации питающей обмотки вольтодобавочного трансформатора и датчик напряжения в середине межподстанционной зоны. Причем датчики напряжения и тока питающих линий тяговой подстанции соединены через сравнивающее устройство с устройством коммутации. Датчики напряжения на тяговой подстанции и в середине межподстанционной зоны соединены с системой управления однофазным инвертором. Технический результат заключается в повышении пропускной способности системы тягового электроснабжения и улучшении качества электроэнергии по показателю несимметрии напряжений. 2 ил.

Система тягового электроснабжения железных дорог переменного тока с управляемым вольтодобавочным трансформатором, включающая в себя тяговую подстанцию с трехфазными понижающими трансформаторами, контактную сеть, тяговую рельсовую сеть, управляемый вольтодобавочный гибридный трансформатор, реализованный по двухтрансформаторной схеме с однофазным выпрямителем, сглаживающим фильтром, однофазным инвертором, системой управления однофазным инвертором и выходным фильтром, датчики напряжения и тока на питающих линиях тяговой подстанции, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена сравнивающим устройством, устройством коммутации питающей обмотки вольтодобавочного трансформатора и датчиком напряжения в середине межподстанционной зоны, причем датчики напряжения и тока питающих линий тяговой подстанции соединены через сравнивающее устройство с устройством коммутации питающей обмотки вольтодобавочного трансформатора, а датчики напряжения на тяговой подстанции и в середине межподстанционной зоны соединены с системой управления однофазным инвертором.