Вольтодобавочное устройство для тяговой сети переменного тока

 

Использование: в тяговых сетях переменного тока промышленного электрифицированного транспорта. Сущность изобретения: устройство содержит трансформатор 1, конденсаторную батарею 2, индуктивный реактор 3, два ключевых элемента 4 и 5. Трансформатор имеет первичную 6 и вторичную 7 обмотки. Вольтодобавочное устройство имеет последовательный LC-контур, образованный конденсаторной батареей и индуктивным реактором. 3 ил.

Изобретение относится к электрифицированным железным дорогам и может быть использовано в тяговых сетях переменного тока промышленного электрофицированного транспорта.

Известно вольтодобавочное устройство для тяговой сети переменного тока, содержащее вольтодобавочный трансформатор с первичной обмоткой, включенной во входную сеть тяговой подстанции, и вторичной обмоткой, объединенной одним выводом с первичной, и последовательный LC-контур.

Недостатком известного устройства является периодичность использования вольтодобавочной обмотки.

Техническим результатом изобретения является обеспечение непрерывной работы вольтодобавочной обмотки путем пропуск по ней тока нагрузки и емкостного тока без электромагнитной развязкой одновременно, что уменьшит потери мощности в тяговой цепи и вольтодобавочном трансформаторе и стабилизирует напряжение на вольтодобавочной обмотке.

Для достижения технического результата в вольтодобавочное устройство, содержащее трансформатор с первичной обмоткой, включенной в выходную цепь тяговой подстанции, и вторичной обмоткой, объединенной одним выводом с первичной обмоткой, и последовательный LC-контур, введены два ключевых элемента для выбора режима работы вольтодобачовного устройства, причем LC-контур подсоединен параллельно вторичной обмотке, вход первого ключевого элемента соединен с одним выводом вторичной обмотки, а вход второго ключевого элемента с другим выводом вторичной обмотки, при этом выходы ключевых элементов, образуя общую точку, подключены к контактной сети.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 схема замещения устройства для режима максимальной нагрузки; на фиг. 3 векторная диаграмма токов.

Устройство содержит трансформатор 1, конденсаторную батарею 2 и индуктивный реактор 3, образующие последовательный LC-контур, два ключевых элемента 4 и 5 для выбора режима работы устройства. Трансформатор имеет первичную обмотку 6 и вторичную (вольтодобавочную) обмотку 7. Первичная обмотка 6 подсоединена к наиболее нагруженной фазе 8 тяговой обмотки тягового трансформатора 9. Обмотка 7 подключена к последовательному LC-контуру. К выводам обмотки 7 подсоединены входы ключевых элементов 4 и 5, которые своими выходами, образуя общую точку, подключены к фидеру контактной сети. Обмотки 6 и 7 образуют общий узел 10. Тяговая нагрузка 11 получает напряжение по цепи: контактная сеть 12 рельс 13.

Устройство работает следующим образом.

В режиме средней установившейся нагрузки ключевой элемент 4 замкнут, ключевой элемент 5 разомкнут. Вольтодобавочная обмотка 7 нагружена емкостным током конденсаторной батареи 2.

I_к= 900A Этот ток трансформируется в первичную обмотку устройства и распределяется по фазам тяговой обмотки трансформатора 9. При среднем токе нагрузки I_э= 120 А по обоим плечам питания и емкостном токе, приведенном к напряжению 27,5 кВ, I'_к=124 А в отстающем плече, обеспечивается почти полное симметрирование токов в тяговой обмотке, компенсация реактивных составляющих в токах фаз, а, следовательно, стабилизацию напряжения в нагруженных отстающей и опережающей фазах ( U_от= U_оп=0), минимизация потери мощности в тяговом трансформаторе. Напряжение в тяговой сети достаточно высокое. Вольтодобавка не требуется.

Режим максимальной рабочей нагрузки. Iэ_max 840 А протекает отстающему плечу питания, по опережающему плечу ток 300 А. В этом случае в отстающей фазе тягового трансформатора ТДТНЭ-40000 с первичным напряжением 110 кВ и U_к=10,5% только током Iэ_max создается потеря напряжения, равная 2000 В. Кроме этого, током опережающего плеча создается потеря напряжения в отстающей фазе 600 В. Таким образом, на отстающем плече создается потеря напряжения 2600 В. Если учесть, что и в тяговой сети создается потеря напряжения порядка 2000 3000 В, то на наиболее электрически удаленном электровозе будет напряжение 22-23 кВ. В этих условиях необходимо ввести вольтодобавочную обмотку в цепь тягового тока отстающего плеча, для этого элемент отключается, а элемент 5 включается. При этом на вторичную обмотку 7 ВДУ подается напряжение 3440 B. Ток LC-контура, вызванный напряжением вольтодобавочной обмотки, составит I I 837A, где X_к емкостное сопротивление LC-контура.

На фиг. 2 и 3 введены следующие обозначения: EDot₁ ЭДС тяговой обмотки; EDot₂ эквивалентная ЭДС вольтодобавочной обмотки, без учета потери напряжения в индуктивном сопротивлении; XL₇ индуктивное сопротивление вольтодобавочной обмотки 7; Хк результирующее емкостное сопротивление LC-контура; Х_к=(ХС₂-XL₃), Согласно векторной диаграммы, напряжение в тяговой сети +-X; +X_к, Напряжение вольтодобавочной обмотки 7 = X_к; = -I₂X.

Результирующие токи в вольтодобавочной обмотке (), LC-контуре
(): = +; = -.

Ток нагрузки по вольтодобавочной обмотке 7 и LC-контуру распределяется соответственно векторной суммы = +, где ток в индуктивности XL₇ обмотки 7, ток в результирующей емкости LC-контура с сопротивлением X_к. Одновременно, используя принцип наложения, на векторной плоскости изображен вектор тока , вызванный ЭДС вторичной обмотки 7. Этот ток, как чисто емкостной ток компенсирующего устройства, замыкается через сопротивление Х_к LC-контура и обмотку 7 с индуктивным сопротивление XL₇. В результате по сопротивлению Х_к протекает ток = -, а по сопротивлению вторичной обмотки ХL₇ протекает ток = +. На векторной диаграмме (фиг. 2 и 3) намеренно увеличен вектор . В действительности при >20 эта составляющая многократно меньше и без заметной погрешности можно принять = ; = . При =840 А, его реактивная составляющая Iэ.р._max=840sin 37^о=504 А. Емкостной ток =837А. Следовательно, по вольтодобавочной обмотке 7 протекает результирующая емкостная составляющая 837-504=333 А. Результирующий модуль тока в обмотке 7 составит 750A I₂. Если бы конденсаторной батареи к обмотке 7 не было бы подключено, то по ней протекал бы ток Iэ._max=840 А. Следовательно, за счет протекания тока 750 А вместо 840 А потеря мощности в активном сопротивлении обмотки 7 уменьшается на 20% Кроме того, емкостной составляющей тока 333А в индуктивном сопротивлении вторичной обмотки 7 создается отрицательная потеря напряжения порядка 0,09333=30 В.

Следует также отметить, что в рассматриваемом устройстве исключена компенсационная обмотка. Если бы ток емкостной компенсации формировался в отдельной компенсационной обмотке, то была бы еще потеря активной мощности при токе = 837 А порядка 4 кВт, а при токе =840 А без LC-контура в вольтодобавочной обмотке 7 была бы также потеря мощности порядка 4 кВт. Таким образом, по сравнению с прототипом в одинаковых условиях нагрузки в заявляемом устройстве снижается потеря мощности по элементам вторичного напряжения на 55-60% С исчезновением максимальной нагрузки (установлением средних размеров движения без тяжелых поездов) необходимо вольтодобавочную обмотку 7 из вольтодобавки вывести, сохранив протекание по ней емкостного тока LC-контура. Для этого ключевой 5 элемент отключается, а ключевой элемент 4 выключается. Схема ВДУ переходит в исходное состояние. При использовании в качестве ключевых элементов 4 и 5 надежных высоковольтных тиристорных выключателей ВДУ может регулироваться непрерывно с учетом кратковременных нагрузок. Исключение из коммутируемых цепей конденсаторов позволяет обеспечить более надежную работу предлагаемого устройства. В зависимости от соотношения средних и максимальных нагрузок на основе трансформатора ОРМЖ-10000/27,5 имеющего отпайки во вторичных обмотках, для конкретных условий системы тягового электроснабжения можно подобрать ВДУ, обеспечивающее значительно лучшие показатели по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения.

Формула изобретения

ВОЛЬТОДОБАВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащее вольтодобавочный трансформатор с первичной обмоткой, включенной в выходную цепь тяговой подстанции, и вторичной обмоткой, объединенной одним выводом с первичной обмоткой, и последовательный LC-контур, отличающееся тем, что в него введены два ключевых элемента для выбора режима работы вольтодобавочного устройства, причем LC-контур подсоединен параллельно упомянутой вторичной обмотке, вход первого ключевого элемента соединен с одним выводом вторичной обмотки, а вход второго ключевого элемента с другим выводом вторичной обмотки, при этом выходы ключевых элементов, образуя общую точку, подключены к контактной сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3