Система тягового электроснабжения электровоза переменного тока

Полезная модель относится к области электрифицированных железных дорог и может быть использовано для улучшения качества энергии, в частности, путем повышения эффективности компенсации реактивной мощности и высших гармоник тока электровоза. Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение надежности и эффективности компенсации реактивной мощности и высших гармоник тока электровоза, и повышение качества электроэнергии. Указанный технический результат достигается тем, что в системе тягового электроснабжения электровоза переменного тока, содержащей тяговый трансформатор и выпрямительно-инверторный преобразователь, выполненный с возможностью питания тяговой нагрузки, параллельно первичной обмотке тягового трансформатора включен активный кондиционер гармоник, содержащий последовательно соединенные сопротивление R, индуктивность L, емкость С и генератор гармоник тока в виде цепи нескольких последовательно включенных однофазных мостовых инверторов напряжения на IGBT модулях, процессорного устройства, выполненного с возможностью управления инверторами для формирования на выводе, подключенном к пассивной RLC-цепи, широтно-модулированных напряжений, создающих в этой цепи гармоники тока, встречно направленные гармоникам тока первичной обмотки тягового трансформатора. Система, характеризующаяся также тем, что для снижения напряжений на IGBT-транзисторах, однофазные мостовые инверторы напряжения соединены последовательно и могут быть выполнены трехуровневыми. Система, характеризующаяся тем, что процессорное устройство, содержит датчики тока локомотива и активного кондиционера гармоник, датчик напряжения одной из обмоток тягового трансформатора, датчики напряжений на конденсаторах, питающих инверторы со стороны постоянного тока, фильтр гармоник тока, выделяющий из сигналов датчиков тока высшие гармоники, причем фильтр гармоник тока выполнен в виде аналогового или цифрового режекторного фильтра, или в виде цифрового фильтра низкой частоты, имеющего частоту среза между первой и третьей гармониками, последовательно с ним включенного цифрового фазосдвигателя основной гармоники тока до угла 180 градусов, и сумматора, к одному из входов которого подведен сигнал с датчика тока, а к другому сдвинутый на 180 градусов сигнал первой гармоники тока.

Полезная модель относится к области электрифицированных железных дорог и может быть использовано для компенсации реактивной мощности и высших гармоник тока электровоза, т.е. для улучшения качества энергии.

Известен трехфазный активный электрический фильтр, применяемый в автономных электрических системах переменного тока с мощными нелинейными нагрузками для снижения высших гармонических составляющих напряжения и тем самым улучшения качества электрической энергии (патент РФ 2121222 С1, МПК: Н04В 3/54, Н03Н 7/01, опубл. 27.10.1998 г.) - аналог.

Недостатком известного решения является то, что в нем не учитывается влияние искажения на форму кривой тока.

Известен активный фильтр для питаемого от воздушной контактной сети переменного тока тягового средства (патент РФ 2083388 С1, МПК B60L 9/08, опубл. 10.07.97 г.) - аналог.

Известное устройство может располагаться непосредственно внутри ЭПС (электровоза), либо на тяговой подстанции. Использование данного устройства непосредственно на ЭПС позволяет повысить коэффициент мощности тяговой единицы.

Известное решение имеет следующие недостатки:

- принятый способ измерения высших гармоник тока на основе вычисления спектра с использованием дискретного быстрого преобразования Фурье, а затем, после удаления из спектра первой гармоники, восстановление сигнала, содержащего только высшие гармоники, является сложным для реализации и недостаточно быстрым, чтобы использовать этот сигнал в контуре обратной связи. Такой способ малопригоден для быстроменяющихся режимов работы системы тягового электроснабжения;

- необходимо иметь дополнительные выпрямители для подпитки конденсаторов инверторов на стороне постоянного тока. Среди всех предложенных в известном решении схем подключения инверторов к тяговому трансформатору нет ни одной схемы с использованием в пассивной цепи последовательно включенного конденсатора, предлагаются только индуктивности, что приводит к высокому сопротивлению этой цепи для токов высших гармоник и к необходимости коррекции формируемых инверторами сигналов высших гармоник в сторону увеличения;

- подключение активного кондиционера гармоник (АКГ) параллельно одной из обмоток низкого напряжения тягового трансформатора неосуществимо из-за проблем питания инверторов на стороне постоянного тока. В этих цепях должны быть выпрямители с очень малыми внутренними сопротивлениями и рассчитаны на очень большие токи из-за шунтирования этих цепей низкоомной двигательной нагрузкой. Конденсаторы просто не удастся зарядить до нужного напряжения.

Известна система тягового электроснабжения электровоза переменного тока, предназначенная для компенсации реактивной мощности и содержащая тяговый трансформатор и выпрямительно-инверторный преобразователь (патент РФ 56734, МПК: H02J 3/18, опубл. 10.11.2007 г.) - прототип.

Недостатком известного решения является невысокая эффективность компенсации реактивной мощности при работе на электровозах переменного тока.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение надежности и эффективности компенсации реактивной мощности и высших гармоник тока электровоза, и повышение качества электроэнергии.

Указанный технический результат достигается тем, что в системе тягового электроснабжения электровоза переменного тока, содержащей тяговый трансформатор и выпрямительно-инверторный преобразователь, выполненный с возможностью питания тяговой нагрузки, параллельно первичной обмотке тягового трансформатора включен активный кондиционер гармоник, содержащий последовательно соединенные сопротивление R, индуктивность L, емкость С и генератор гармоник тока в виде цепи нескольких последовательно включенных однофазных мостовых инверторов напряжения на IGBT модулях, процессорного устройства, выполненного с возможностью управления инверторами для формирования на выводе, подключенном к пассивной RLC-цепи, широтно-модулированных напряжений, создающих в этой цепи гармоники тока, встречно направленные гармоникам тока первичной обмотки тягового трансформатора.

Система, характеризующаяся тем, что для снижения напряжений на IGBT-транзисторах, однофазные мостовые инверторы напряжения соединены последовательно и могут быть выполнены трехуровневыми.

Система, характеризующаяся тем, что процессорное устройство, содержит датчики тока локомотива AT1 и активного кондиционера гармоник АТ2, датчик напряжения одной из обмоток тягового трансформатора, датчики напряжений на конденсаторах, питающих инверторы со стороны постоянного тока, фильтр гармоник тока, выделяющий из сигналов датчиков тока высшие гармоники, причем фильтр гармоник тока выполнен в виде аналогового или цифрового режекторного фильтра, или в виде цифрового фильтра низкой частоты, имеющего частоту среза между первой и третьей гармониками, последовательно с ним включенного цифрового фазосдвигателя основной гармоники тока до угла 180 градусов, и сумматора, к одному из входов которого подведен сигнал с датчика тока, а к другому сдвинутый на 180 градусов сигнал первой гармоники тока.

Как известно, тяговая сеть как однопроводная линия с возвратом тока через землю, практически полностью несимметрична. В результате этого токи, протекающие в тяговой сети железных дорог, электрифицированных как по системе переменного тока, так и по системе постоянного, оказывают мешающее влияние на смежные с ней воздушные и кабельные линии связи, радиовещания, телеуправления и т.д. Известно также, что помехи в линиях связи, обусловленные магнитным влиянием и электромагнитными процессами в тяговой сети, определяются высшими гармоническими составляющими спектра тягового тока. Кроме того, гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для систем электропитания.

Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными основной частоте источника питания. Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь искажения тока влияют на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы.

Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Заявляемая система тягового электроснабжения переменного тока с АКГ представлена на фиг.1-6.

На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемой системы, на фиг.2 - ток одного из IGBT-модулей трехуровневого инвертора, на фиг.3 - напряжение на модуле IGBT, на фиг.4 - управляющий сигнал, поступающий с процессора гармоник тока на широтно-импульсные модуляторы инвертора, на фиг.5 - выходные широтно-модулированные импульсы напряжения трех последовательно включенных трехуровневых IGBT инверторов на частоте несущей 20 кГц; на фиг.6 - напряжения на реакторе L (черный цвет) и конденсаторе С (серый) до и после отключения управления инверторами в момент 0,233 сек.

Система содержит тяговый (силовой) трансформатор (ЭПС) 1, выпрямительно-инверторный преобразователь 2, пассивный силовой R-L-С фильтр сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения 3, генератор гармоник тока 4, процессорное устройство 9, гальваническую развязку 5 и драйверы 6. Процессорное устройство, содержит датчик 7 тока локомотива (AT1) и датчик 8 тока активного кондиционера гармоник (АТ2), датчик напряжения одной из обмоток тягового трансформатора 1, датчики напряжений на конденсаторах, питающих инверторы 4 со стороны постоянного тока, фильтр гармоник тока, выделяющий из сигналов датчиков тока высшие гармоники, причем фильтр гармоник тока выполнен в виде аналогового или цифрового режекторного фильтра, или в виде цифрового фильтра низкой частоты, имеющего частоту среза между первой и третьей гармониками, последовательно с ним включенного цифрового фазосдвигателя основной гармоники тока до угла 180 градусов, и сумматора, к одному из входов которого подведен сигнал с датчика тока, а к другому сдвинутый на 180 градусов сигнал первой гармоники тока.

Подпитка конденсаторов инвертора на стороне постоянного тока осуществляется через инверторы и пассивный силовой RLCфильтр 3, через который инверторы присоединены параллельно первичной обмотке тягового трансформатора 1. Дополнительных выпрямителей для питания инверторов со стороны постоянного тока не требуется. Регулятор-ограничитель напряжений на конденсаторах, присоединенный к датчику напряжения одной из вторичных обмоток тягового трансформатора, формирует ортогональную составляющую этого сигнала, которая с некоторым весовым коэффициентом суммируется с управляющим сигналом процессорного устройства высших гармоник тока. Суммарный сигнал подается на устройство формирования широтно-модулированных импульсов, которые через гальванические развязки 5 подаются на драйверы 6 инверторных мостов. С целью снижения задержек в контуре компенсации гармоник тока и уменьшения влияния высокочастотных напряжений инвертора на напряжение тяговой сети, несущая частота ШИМ-модуляции может быть повышена до 20 кГц. На такой частоте гармоники напряжения и тока не проникают в тяговую сеть, а высокочастотные напряжения возникают только на индуктивности L. Для уменьшения напряжений и снижения требований к уровню изоляции индуктивность L выполняется в виде нескольких последовательно соединенных секций. RLC-цепь, входящая в состав АКГ имеет емкостной характер на основной частоте и служит для частичной компенсации реактивной составляющей тока электровоза.

Пример конкретного выполнения.

Заявителем были проведены исследования заявляемой системы со следующими параметрами: Ток выпрямительной нагрузки 45 А, силовой трансформатор 6/0,4 кВ распределительной подстанции ИрГУПС; разделительный трансформатор 380/220 В (S=1,5 кВА); выпрямитель питания инвертора; фильтр сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (Rф=50 м, Сф=10 мкФ, электролитический конденсатор); цифровой сигнальный процессор фирмы Texas Instruments; инвертор на IGBT транзисторах (IGBT транзисторы на ток 100-150 А); фильтр присоединения инвертора к пассивной RLC цепи (Rф=1 Ом, Сф=10 мкФ, LC цепь (L=2 мГн, С=500 мкФ); индуктивность на входе выпрямителя (La=1 мГн); однофазный мостовой выпрямитель (Ud=250 В, id=45 А); выпрямительная нагрузка (Ld=32 мГн, Rd=4 Ом).

Заявляемая система тягового электроснабжения с АКГ тока снижает несинусоидальность тока и напряжения, т.е. повышает качество электроэнергии. По коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения по средним значениям в три раза, по максимальным значениям в пять раз; снижение несинусоидальности тока по 3-ей гармонической составляющей в такой же кратности; несинусоидальность тока по меньшему порядку гармоник также значительно уменьшается. В частности, коэффициент искажения синусоидальности кривой тока при использовании пассивных фильтров составил Ki=25,9%, коэффициент искажения синусоидальности кривой тока в соответствии с заявляемым решением снизился до величины Ki=18,5%.

1. Система тягового электроснабжения электровоза переменного тока, содержащая тяговый трансформатор и выпрямительно-инверторный преобразователь, питающий тяговую нагрузку, отличающаяся тем, что содержит включенный параллельно первичной обмотке тягового трансформатора активный кондиционер гармоник, содержащий последовательно соединенные сопротивление R, индуктивность L, емкость С и генератор гармоник тока в виде цепи нескольких последовательно включенных однофазных мостовых инверторов напряжения на IGBT модулях, процессорное устройство, выполненное с возможностью управления инверторами для формирования на выводе, подключенном к пассивной RLC-цепи, широтно-модулированных напряжений, создающих в этой цепи гармоники тока, встречно направленные гармоникам тока первичной обмотки тягового трансформатора.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что однофазные мостовые инверторы напряжения соединены последовательно и выполнены трехуровневыми.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что процессорное устройство содержит датчики тока локомотива ТА1 и активного кондиционера гармоник ТА2, датчик напряжения одной из обмоток тягового трансформатора, датчики напряжений на конденсаторах, питающих инверторы со стороны постоянного тока, фильтр гармоник тока, выделяющий из сигналов датчиков тока высшие гармоники.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что фильтр гармоник тока выполнен в виде аналогового или цифрового режекторного фильтра.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что фильтр гармоник тока выполнен в виде цифрового фильтра низкой частоты, имеющего частоту среза между первой и третьей гармониками, последовательно с ним включенного цифрового фазосдвигателя основной гармоники тока до угла 180°, и сумматора, к одному из входов которого подведен сигнал с датчика тока, а к другому сдвинутый на 180° сигнал первой гармоники тока.