СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электрическому железнодорожному транспорту, а конкретнее, к электрическим железным дорогам, электрифицированным на постоянном токе с номинальным напряжением в контактной сети, равным 3,0 кВ.
Известны системы тягового электроснабжения, содержащие выпрямительные тяговые подстанции, зажимы выпрямительного тока которых подключены к контактной сети 3 кВ и к рельсовым цепям [1].
Недостаток таких систем, широко применяемых на железных дорогах России и многих странах мира, связан с низким уровнем напряжения в контактной сети, что уже при существующих восьми- и двенадцатиосных электровозах и наметившемся в РФ росте грузо- и пассажиропотоков требует контактной сети большого сечения (до 600 мм и выше) и частого расположения тяговых подстанций.
Этот недостаток может быть устранен переходом на систему электрической тяги переменного тока 25 кВ, но это требует больших капитальных затрат на замену электроподвижного состава и стационарных устройств тягового электроснабжения.
В качестве прототипа можно использовать систему тягового электроснабжения постоянного тока, содержащую выпрямительные тяговые подстанции, контактную сеть и рельсовые цепи, а также вольтодобавочные устройства, выходы которых подключены к контактной сети и рельсовым цепям [2].
Техническим решением по данной модели является то, что вольтодобавочные устройства содержат высоковольтный кабель постоянного тока, подвешенный на опорах контактной сети, причем к нему подключены блоки усиления мощности с автоматическими регуляторами. Каждый блок содержит комплект импульсных прерывателей, понизительный трансформатор и управляемый выпрямитель, выходные зажимы которого подключены к контактной сети и рельсовой цепи, а управляющие электроды ключевых элементов (например, тиристоров) соединены с цепями выходных сигналов автоматического регулятора, содержащего элемент сравнения фактического значения напряжения контактной сети с его предельно допустимым значением.
Существо полезной модели иллюстрируется на конкретном примере ее исполнения. На фиг. 1 показана общая структурная схема системы тягового электроснабжения постоянного тока с выпрямительными тяговыми подстанциями 1 и 2, контактной сетью 3 рельсовыми цепями 4 (для двухпутного участка). На опорах контактной сети подвешен высоковольтный кабель 5 постоянного тока, например, напряжением…В, который служит для усиления мощности системы электроснабжения без увеличения мощности тяговых подстанций.
Кабель 5 подключен к источникам электроэнергии постоянного тока (например, районным подстанциям) примерно через 120…150 км.
Блок усиления (фиг. 2) содержит трехфазный трансформатор 7, выполненный на повышенную рабочую частоту (до 1 кГц) для снижения массы и габаритных размеров. На трехстержневом сердечнике трансформатора расположены первичные обмотки 8…13 и вторичные обмотки 14…16.
Первичные обмотки 8…13 трансформатора при помощи импульсных ключей 17…22 подсоединены к высоковольтному кабелю 5 (клемма 6, а), а общая точка всех первичных обмоток заземлена и соединена с рельсовыми цепями (клемма 6, б).
В качестве ключей используются силовые транзисторы.
Управляющие входы ключей 17…22 подключены к блоку управления 23 ключами, реализующему алгоритм формирования трехфазного напряжения во вторичных обмотках 14…16 трансформатора 7, соединенных в "звезду".
Свободные выводы обмоток 14…16 трансформатора подключены ко входам управляемого выпрямителя 24, который выполнен по типовой мостовой схеме.
Положительный выходной зажим выпрямителя 24 соединен с контактной сетью 3, а отрицательный - с рельсовыми цепями 4.
8
9
10
11
12
13
A
B
C
Импульсные ключи 17…22 формируют в первичных обмотках 8…13 трансформатора 7 трехфазные напряжения U-U, U-U, U-U, как показано на фиг. 3, а, b, с. При этом в сердечнике трансформатора 7 формируются магнитные потоки Ф/Ф и Ф (фиг. 3, а), а в обмотках 14…16 этого трансформатора - трехфазные напряжения. При простейшем управлении ключами 17…22 в обмотках 8…13 формируется знакопеременное напряжение прямоугольной формы (фиг. 3, а, b, с) амплитудой… кВ.
В случае необходимости для улучшения формы кривых напряжений обмоток 17…22 можно применить широтно-импульсную модуляцию, например, по синусоидальному закону.
З max
З max
З факт
С помощью блока 6, а конкретно, управляемым выпрямителем 24 повышают напряжение на лимитирующем участке контактной сети 5 до максимального значения U, например, до 3600 В. Эта функция реализуется автоматическим регулятором - блоком управления 25 (фиг. 4). Он содержит блок фазового регулирования тиристорами выпрямителя 24 и пропорционально-интегральный регулятор ПИР. В состав блока 25 входит датчик 26 фактического напряжения контактной сети 3 в критической зоне и элемент сравнения 27, выполняющий операцию вычисления рассогласования ΔU=U-U. Сигнал ΔU поступает на ПИР, который изменяет угол а регулирования тиристоров выпрямителя 24 следующим образом:
- при ΔU>0 ПИР уменьшает угол α, увеличивая значение выходного напряжения выпрямителя 24 до 3600 В, обеспечивая надежную работу электровозов в критической зоне;
З max
З факт
З mах
- при ΔU<0, т.е. если по какой-либо причине фактическое значение напряжения в контактной сети оказалось выше U, то ПИР будет увеличивать угол α до тех пор, пока U не станет равным U.
Эффективность данной полезной модели определяется тем, что при небольших капитальных затратах обеспечивается стабильность напряжения контактной сети. Это необходимо при увеличении размеров движения поездов или (и) при вводе в эксплуатацию более мощных электровозов двенадцатиосного исполнения (типов ВЛ15, 3ВЛ11м), при реализации тяги по системе многих единиц, при увеличении весовых норм поездов.
Источники информации, принятые во внимание при экспорте
1. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М., Транспорт, 4-ое изд., 1965.
2. Сердеенов С.М. Повышение надежности устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог. М., Транспорт, 2-ое изд., 1985.