УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА РЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ НА НАКОПИТЕЛЬНУЮ УСТАНОВКУ (ВАРИАНТЫ)
RAIL TRANSPORT DEVICE TO RECOVER ELECTRIC POWER AT STORAGE UNIT (VERSIONS)

Изобретение относится к области сбережения электрической энергии на рельсовом транспорте и, в частности, на метрополитенах.
В России в течение ряда лет велись работы по различным вариантам рекуперации электроэнергии при торможении поездов метрополитена. В эксплуатации Московского метрополитена находятся поезда модели 81-740/741, электрическая схема и оборудование, в которых предполагают возможность использования режима рекуперации электрической энергии торможения. Однако эта задача не решена, т.к. система тягового электроснабжения (СТЭ) не оборудована устройствами приема энергии рекуперации.
Известны способы экономии электроэнергии и повышения ее качества на рельсовом электрифицированном транспорте. Для этих целей применяются различного типа накопительные устройства (НУ):
аккумуляторы, емкостные или индукционные устройства.
Установка накопителя рекуперируемой энергии совместно с системой управления на поезде затруднительна вследствие больших габаритов и массы НУ.
(11)
(13)
(11)
(13)
Известны устройства, которые наиболее близки по технической сути к предлагаемому устройству, описанные в научно-технической и патентной литературе (D.Habel et al. Schwungmassen-Energiespeicher für Stadtbahnnetze. Elektrische Bahnen, 2003, №7, S.310-314. перевод: Железные дороги мира, 2004, №2 и патент RU2009053 C1, B60M 3/00 06.12.1990 г.). Опыт эксплуатации накопителей в Транспортной компании Ганновера Üstra показал, что НУ в некоторой степени стабилизируют напряжение в контактной цепи и снижают пики нагрузки тяговых подстанций, что способствует уменьшению токов срабатывания быстродействующих фидерных автоматов постоянного тока, но при этом НУ становятся дополнительными потребителями электрической энергии в СТЭ. За прототип взят патент RU2009053 С1, B60M 3/00 C1, 06.12.1990 г.
В данном устройстве при рекуперации энергии поездом заряд/разряд НУ происходит по электрической цепи, состоящей НУ и преобразователя. Конструкция преобразователя обеспечивает постоянное гальваническое соединение с тяговой сетью посредством электрических шин.
Первым недостатком этого устройства накопления энергии является распределение Джоулева тепла (десятки МДж) на протяженных участках токопроводов от места торможения поезда до места установки НУ и практически невозможность обеспечения соблюдения требуемой динамики торможения для рекуперирующих поездов.
Вторым принципиально важным недостатком является наличие гальванической связи с системой шин подстанции или с контактным рельсом (при размещении накопителя в окрестностях пассажирской станции), вследствие чего не представляется технически возможным обеспечить экономически выгодную (эффективную) работу НУ. При заряде от рекуперирующего поезда НУ частично отбирает энергию, подаваемую в линию тяговой подстанцией, а при отдаче энергии начинающему движение поезду разряд накопителя прекращается при уменьшении напряжения заряда накопителя до величины напряжения на шинах тяговой подстанции или напряжения в контактной сети. Для исключения отбора энергии от тяговой подстанции при рекуперации подвижного состава напряжение постоянного тока на преобразователе НУ должно поддерживаться несколько выше максимального напряжения подстанции, питающей рассматриваемый участок. Однако такая техническая реализация ограничивает энергетические возможности рекуперации энергии транспортных средств. Для преодоления ограничений этого способа можно кратковременно отключать выпрямительные агрегаты тяговых подстанций на время заряда и разряда НУ. В этом случае необходимо включать/отключать выключатели на стороне переменного тока, однако, коммутационный ресурс выключателей на это не рассчитан. Работа преобразователей НУ с тактовой частотой (измеряемой килогерцами) вследствие гальванической связи с тяговой сетью оказывает возмущающее воздействие на системы связи, централизации и блокировки, что требует установки сглаживающих устройств и защит от перенапряжений для обеспечения требований электромагнитной совместимости
Кроме того, для исключения срывов рекуперации подвижного состава по причине полного заряда НУ необходимо перераспределять энергию на другие участки контактной сети, для чего требуется произвести сквозное соединение зон питания в контактной сети (Я.И.Гаврилов, В.А.Мнацканов. Вагоны метрополитена с импульсными преобразователями. - М.:Транспорт, 1986, с.219), т.е. необходима полная реконструкция тяговой сети.
С целью экономии электрической энергии, уменьшения количества выделяемого тепла на тормозных резисторах поезда и дроссель трансформаторах, улучшения микроклимата в метрополитене, обеспечения электромагнитной совместимости преобразователя НУ с работой устройств связи, централизации и блокировки, упрощения электрической конструкции преобразователя НУ и, как следствие, повышения эксплуатационной надежности системы НУ, эвакуации пассажирских поездов из тоннелей при аварийном отключении питающего напряжения предлагается устройство для непосредственного заряда/разряда НУ по электрической цепи, гальванически не связанной с контактной сетью (варианты).
Вариант 1. На фиг.1 показаны пассажирская платформа 1, вагоны электропоезда 2, рабочий токоприемник 10, дополнительный токоприемник 11, дополнительный контактный рельс 6, накопительная установка 3, рабочий контактный рельс тяговой сети 4, пикет "начало торможения" 7, длина поезда 8, длина от пикета торможения до платформы 9.
Для осуществления первого варианта устройства перед пассажирской платформой в месте начала торможения поезда параллельно рабочему контактному рельсу устанавливают дополнительный контактный рельс, гальванически не связанный с рабочим контактным рельсом. Длина дополнительного контактного рельса равна длине поезда до пикета начала торможения плюс длина пассажирской платформы, плюс длина поезда после окончания пассажирской платформы. При подходе поезда к пикету начала торможения к дополнительному контактному рельсу в режиме скольжения присоединяют дополнительные токоприемники, установленные на вагонах подвижного состава и смещенные относительно штатных токоприемников, осуществляют режим торможения и заряда НУ, а при пуске поезда за счет удлиненной после пассажирской платформы части дополнительного контактного рельса осуществляют процесс разряда НУ на электрическую силовую схему вагонов и разгон поезда.
Вариант 2. На фиг.2 показаны кабельная перемычка 12, нормально разомкнутый коммутационный аппарат 13, изолированный участок контактного рельса 4, воздушные промежутки 14 и 15, ходовой рельс 5.
По данному варианту устройства с целью исключения затрат по установке дополнительного контактного рельса и дополнительных токоприемников на вагонах производят разрывы рабочего контактного рельса в граничных точках. Первый разрыв производят на расстоянии длины поезда до платформы, а второй разрыв осуществляют на расстоянии длины поезда после платформы. Тем самым создают участок рабочего контактного рельса, изолированный от тяговой сети. Для восстановления схемы двустороннего питания контактной сети в цепи рабочего контактного рельса слева и справа от изолированного участка контактного рельса устанавливают кабельную перемычку. С одной стороны изолированного участка контактного рельса устанавливают коммутационный аппарат (13), подключаемый к контактному рельсу. Коммутационный аппарат в нормальном режиме работы НУ должен быть отключен. В случае отказа или несоответствия напряжения заряда НУ заданным параметрам, обеспечивающим пусковой режим поезда, а также аварийного отключения питающего напряжения, производят включение коммутационного аппарата, что позволяет вывести состав с пассажирами из туннеля к пассажирской платформе.