Устройство тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором

Сущность полезной модели заключается в следующем. Как известно, существующая система тягового электроснабжения переменного тока с МФ ВДТ[Л-3] (прототип) имеет ряд достоинств, а именно: повышает напряжение на одной из фаз тяговой сети, ограничивает уравнительные токи [Л-2]. Однако система тягового электроснабжения с МФ ВДТ (см. Л-3, прототип) не лишена и недостатков, а именно: повышение напряжения контактной сети имеет место лишь на одной фазе; не решается задача о снижении коэффициента несимметрии напряжения (тока) в точке общего присоединения, т.е. не выполняются требования соответствующих нормативных документов по качеству электрической энергии [ГОСТ Р 54149-2010]. Достижением технического результата полезной модели является снижение коэффициента несимметрии напряжения на первичной стороне тягового трансформатора при одновременном повышении напряжения на отстающей и опережающей фазах тяговой обмотки тягового трансформатора.

В известном устройстве (прототип) системы тягового электроснабжения переменного тока с МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого включается конденсаторная установка, емкость которой, приведенная к напряжению 2,5 кВ компенсационной обмотки, функционально связана с тяговыми токами опережающей и отстающей фаз соотношением:

Использование регулируемой конденсаторной установки, емкость которой изменяется согласно закону приведенному в описании полезной модели, позволяет достичь полезного результата: повышение показателей качества электрической энергии.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к системам тягового электроснабжения переменного тока и может быть использована для усиления с помощью многофункционального вольтодобавочного трансформатора (МФ ВДТ) тяговых сетей на грузонапряженных и скоростных участках магистральных железных дорог.

МФ ВДТ согласно [Л-1] состоит из трех обмоток, взаимоиндуктивно связанных друг с другом, а именно: основной, вольтодобавочной и компенсационной. К компенсационной обмотке подключается конденсаторная установка (КУ). КУ согласно [Л-2] выполняет в основном роль поперечной и частично продольной емкостной компенсации.

В [Л-3] предложено устройство системы тягового электроснабжения с МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого подключается конденсаторная установка. Это устройство принято за прототип. Устройство по [Л-3] (прототип) состоит из тягового трансформатора, многофункционального вольтодобавочного трансформатора, тяговой сети и основной нагрузки - преобразовательного трансформатора. Первичная обмотка трансформатора питается от системы внешнего электроснабжения, вторичная, тяговая обмотка, соединяется в треугольник, отстающая и опережающая фазы которой подключены к соответствующей контактной сети.

Основная обмотка МФ ВДТ подключается на фазное напряжение тяговой обмотки тягового трансформатора, узел «C» которой соединяется с рельсовой цепью. Вольтодобавочная обмотка МФ ВДТ включается последовательно с контактной сетью, как правило, получающей питание от отстающей фазы тягового трансформатора.

Компенсационная обмотка МФ ВДТ нагружена на регулируемую согласно [Л-1] конденсаторную установку. Основная, вольтодобавочная и компенсирующая обмотки МФ ВДТ связаны между собой взаимоиндуктивно с коэффициентом связи K_C0,95÷0,99 [Л-2].

Система тягового электроснабжения переменного тока по [Л-3] (прототип) имеет ряд достоинств, а именно: повышает напряжение на одной из фаз тяговой сети, улучшает показатели системы тягового электроснабжения переменного тока, ограничивает значения уравнительных токов [Л-2].

Однако система тягового электроснабжения с МФ ВДТ (см. Л-3)не лишена и недостатков: повышение напряжения в контактной сети происходит лишь на одной фазе; не решается задача о снижении коэффициента несимметрии напряжения (тока) в точке общего присоединения, т.е. не выполняется требование соответствующих нормативных документов на показатели качества электрической энергии.

Указанные выше недостатки известной системы тягового электроснабжения переменного тока с МФ ВДТ могут быть устранены путем включения вольтодобавочной обмотки МФ ВДТ в цепь отсоса тяговой подстанции, а компенсирующая обмотка подключена к регулируемой конденсаторной установке. Емкость конденсаторной установки, приведенная к напряжению компенсирующей установки 2,5 кВ, как показывают результаты компьютерного моделирования электромагнитных процессов в тяговых сетях переменного тока, функционально связана с токами в опережающей и отстающей фазах соотношением:

Техническим результатом полезной модели является снижение коэффициента несимметрии напряжения (тока) в точке общего присоединения, т.е. на первичной стороне тягового трансформатора, приодновременном повышении напряжений на отстающей и опережающей фазах тяговой обмотки тягового трансформатораи выравнивании загрузки фазтяговой обмотки тягового трансформатора.

В известное устройство (прототип) системы тягового электроснабжения переменного тока с МФ ВДТ, к компенсационной обмотке которого включается регулируемая конденсаторная установка, приведенная к напряжению 2,5 кВ емкость которой функционально связана с тяговыми токами опережающей и отстающей фазами из выше приведенного соотношения.

При этом основная обмотка многофункционального вольтодобавочного трансформатора подсоединяется одним выводом к отстающей или опережающей фазам тяговой обмотки тягового трансформатора, а вольтодобавочная обмотка МФ ВДТ включается в цепь отсоса тягового трансформатор, т.е. между узлом «C» тягового трансформатора, где также подключен второй зажим основной обмотки, и рельсовой сетью. На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором.

На фиг. 1 обозначено:

1 - первичная обмотка тягового трансформатора;

2 - контактная сеть с током в опережающей фазе трансформатора;

3 - тяговая обмотка трансформатора тяговой подстанции;

4 - контактная сеть с током в отстающей фазе тягового трансформатора;

5 - основная обмотка многофункционального вольтодобавочного трансформатора (МФ ВДТ);

6 - вольтодобавочная обмотка МФ ВДТ;

7 - компенсационная обмотка МФ ВДТ;

8 - емкость конденсаторной установки;

9 - рельсовый путь.

Предложенное устройство работает следующим образом. При представлении токов и в виде источников тока, на предлагаемой схеме включения МФ ВДТ и с учетом реактивной мощности конденсаторной установки, происходит перераспределение токов, протекающих по фазам тяговой обмотки тягового трансформатора. На фиг. 2 представлены результаты компьютерного моделирования токораспределения в системе тягового электроснабжения переменного тока при следующих исходных данных:

- основная обмотка МФ ВДТ подключена на напряжение отстающей фазы тягового трансформатора;

- расчетные значения токов равны , получены с использованием итерационного метода и последующим представлением токов электровозов в виде источников тока. Там же приведены векторная диаграмма токов и топографическая диаграмма напряжений на обмотках тягового трансформатора;

- емкость конденсаторной установки 3,2 мФ.

Установлено, что как за счет изменения напряжения на опережающей и отстающей фазах, так и в основном за счет перераспределения тока в цепи отсоса тяговой подстанции происходит существенное уменьшение коэффициента несимметрии тока (напряжения) в системе внешнего электроснабжения, питающую тяговую подстанцию.

Показано, что при равных (по модулю) токах и коэффициент несимметрии по напряжению стремится к нулю.

При различных значениях токов и емкость конденсаторной установки выбирается согласно приведенному в полезной модели выражению.

при

где ; - токи в питающих плечах контактной сети, подключенных соответственно к опережающей и отстающей фазам тяговой обмотки тягового трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:

1. Болдырев В.И., Власов С.П., Ключников C.B., Косарев Б.И., Силкин В.., Фролов А.В. Устройство энергоснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока. Авторское свидетельство 1654056. 07.06.1991. Бюлл. 21. - 3 с.

2. Косарев Б.П., Сербиненко Д.В. Энергетические соотношения в тяговых сетях переменного тока в многофункциональным трансформатором при учете несинусоидального характера токов электровозов. - М.: Электроника и электрооборудование. Транспорт. 5-6. - 2012. - с. 8-12.

3. Косарев Б.И., Сербиненко Д.В., Алексеенко М.В. Система тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональными вольтодобавочными трансформаторами. - М. ВИНИТИ. Наука, техника, управление, 2013. 1. - с. 13-18 (прототип).

Устройство тягового электроснабжения переменного тока с многофункциональным вольтодобавочным трансформатором, состоящего 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 МФ ВДТ подсоединяется одним выводом к отстающей или опережающей фазам тяговой обмотки тягового трансформатора, отличающееся тем, что вольтодобавочная обмотка МФ ВДТ, взаимоиндуктивно связанная с основной и компенсационной обмотками МФ ВДТ, включена в цепь отсоса тяговой подстанции, т.е. между узлом "С" тягового трансформатора, где также подключён второй зажим основной обмотки МФ ВДТ, и рельсовой цепью, а к компенсационной обмотке МФ ВДТ подключена регулируемая конденсаторная установка, ёмкость которой, приведённая к напряжению 2,5 кВ компенсационной обмотки, функционально связана с тяговыми токами, опережающей и отстающей фаз соотношением:

где ; - токи в питающих плечах контактной сети, подключённых соответственно к опережающей и отстающей фазам тяговой обмотки тягового трансформатора.

РИСУНКИ