УСТРОЙСТВО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ

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.
C
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≈0,95÷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.Α., 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).