УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к регулированию напряжения, и может найти применение в устройствах для автоматического регулирования напряжения в контактной сети на электрифицированном железнодорожном транспорте.
Известно устройство регулирования переменного напряжения (авторское свидетельство SU 838668 А1, опубл. 15.06.1981), содержащее трансформатор с секционированной обмоткой, два управляемых реактора, первый из которых соединен последовательно с крайним выводом секционированной обмоткой трансформатора, а второй последовательно с промежуточным выводом, при этом другие выводы реакторов образуют общую точку. В цепь управления первого реактора включены датчик коэффициента угла сдвига и элемент сранения, а в цепь управления второго реактора включены датчик напряжения и второй элемент сравнения. С помощью изменения сопротивления второго реактора осуществляется регулирование напряжения на выходе трансформаторного агрегата, а изменением сопротивления первого реактора достигается наибольшее значение коэффициента угла сдвига во всем диапазоне выходного напряжения.
Недостатками данного известного устройства являются:
- большая материалоемкость и высокая стоимость реакторов, составляющих конструкцию устройства, из-за использования в них меди и стали;
- большие массогабаритные параметры реакторов;
- высокие потери электроэнергии в реакторах;
- возможность перегрузки и выхода из строя оборудования подстанции в следствии увеличения нагрузки при пропуске тяжеловесных и скоростных поездов.
Известно устройство для автоматического регулирования напряжения в контактной сети (авторское свидетельство SU №1744776 А1, МПК Н02М 5/257, опубл. 30.06.1992). Устройство состоит из трансформатора с секционированной обмоткой, двух управляемых реакторов, первый из которых подключен к крайнему выводу обмотки трансформатора, второй - к ответвлению обмотки трансформатора, при этом другие выводы обоих реакторов образуют общую точку. В цепь управления реактора включены датчик угла сдвига фаз и элемент сравнения, второй вход которого подключен к задающему устройству. В цепь управления реактора включены элемент сравнения, входы которого соединены с датчиком напряжения и задающим устройством, при этом выход элемента сравнения соединен с первым входом блока ограничения напряжения, второй вход которого соединен с датчиком перегрузки по току.
Недостатками указанного известного устройства для автоматического регулирования напряжения в контактной сети являются: большая материалоемкость и высокая стоимость реакторов, составляющих конструкцию устройства, из-за использования в них меди и стали, а также большие массогабаритные параметры и потери электроэнергии в реакторах.
Известно устройство для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции и в контактной сети (патент RU №75620 U1, МПК В60М 3/02, Н02М 5/257, опубл. 20.08.2008 Бюл. №23), выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит, по крайней мере, два блока выделения предельного значения напряжения в контактной сети, первый из входов каждого из которых подключен к выходу соответствующего блока измерения напряжения в контактной сети, при этом выход, по крайней мере, одного из блоков выделения предельного значения напряжения в контактной сети подключен, по крайней мере, к одному входу элемента ИЛИ, блок вычисления уровня напряжения на подстанции, соединенный выходом с входом блока формирования команд трансформатора, второй вход каждого блока выделения предельного значения напряжения подключен к выходу задатчика минимального значения напряжения в контактной сети, блок формирования сигнала перегрузки по току, первый вход которого соединен с блоком перегрузки по току подстанции, второй его вход подключен к выходу задатчика максимального тока, блок формирования сигнала уровня стабилизации напряжения подстанции, соединенный первым входом с выходом задатчика уровня стабилизации напряжения подстанции, а вторым входом - с первым выходом блока измерения напряжения трансформатора подстанции, а третьим входом - с выходом блока формирования сигнала повышения уровня стабилизации напряжения, один вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, а другой вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала запрета повышения уровня стабилизации напряжения, вход которого соединен с первым выходом блока формирования сигнала перегрузки по току, второй выход которого соединен со входом блока формирования сигнала понижения уровня стабилизации напряжения подстанции, выход которого соединен с первым входом блока вычисления уровня напряжения подстанции, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала уровня стабилизации напряжения подстанции, третий выход блока формирования сигнала перегрузки по току соединен с одним из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом блока контроля минимального уровня напряжения стабилизации, вход которого соединен со вторым выходом блока измерения напряжения трансформатора подстанции; выход элемента И соединен со входом блока формирования сигнала команды отмены стабилизации напряжения и включения коммутирующего блока перевода трансформатора на естественную характеристику, первый выход которого соединен со вторым входом блока формирования команд трансформатора, а второй выход блока формирования сигнала команды отмены стабилизации напряжения трансформатора и включения коммутирующего блока перевода трансформатора на естественную характеристику соединен со входом блока временной задержки коммутирующего блока, выход которого подключен к коммутирующему блоку.
Недостатками указанного известного устройства для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции и в контактной сети являются большая материалоемкость и высокая стоимость блоков, составляющих конструкцию устройства, из-за использования в них меди и стали, а также большие массогабаритные параметры и потери электроэнергии в блоках.
Технической задачей заявленной полезной модели является создание устройства для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции постоянного тока, конструкция которого обеспечит сокращение расхода электротехнической стали и меди, а также снижение потерь электроэнергии.
Технический результат - снижение стоимости устройства, массогабаритных параметров и потерь электроэнергии.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в устройстве для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции, содержащем преобразовательный трансформатор, выпрямительный агрегат, нагрузку, блок измерения уровня напряжения подстанции, блок формирования сигнала нулевого значения напряжения, блок формирования сигнала уровня напряжения подстанции, блок задатчика уровня напряжения подстанции, блок формирования сигнала запрета повышения уровня напряжения подстанции, блок формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени, согласно полезной модели, она содержит, по меньшей мере, два тиристорных ключа, первый из которых соединен с крайним выводом первичной обмотки преобразовательного трансформатора, а второй - с ее отводом, при этом электроды управления тиристоров второго тиристорного ключа подключены к выходу элемента И, а электроды управления тиристоров первого тиристорного ключа подключены к выходу элемента И через первый и второй элементы НЕ, причем второй вход элемента И соединен с выходом блока формирования сигнала нулевого значения напряжения, а первый вход элемента И - с выходом блока формирования сигнала управления тиристорными ключами, вход которого соединен с выходом блока вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами, первый вход которого соединен с первым выходом блока формирования сигнала уровня напряжения подстанции, а второй вход - с выходом блока формирования сигнала запрета повышения уровня напряжения подстанции, вход которого подключен к выходу блока формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на две ступени, первый вход которого подключен к первому выходу блока задатчика уровня напряжения подстанции, а второй вход - ко второму выходу блока формирования сигнала уровня напряжения подстанции, первый вход которого подключен ко второму выходу блока задатчика уровня напряжения подстанции, а второй вход - к выходу блока измерения уровня напряжения подстанции.
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На фиг. 1 представлена схема устройства для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции постоянного тока; на фиг. 2 - зависимость напряжения от тока при различных уровнях стабилизации напряжения и при различных уровнях сигнала управления тиристорными ключами устройства.
Устройство для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции (фиг. 1) содержит преобразовательный трансформатор 1, выпрямительный блок 2 и нагрузку 3. К секционированной первичной обмотке преобразовательного трансформатора 1 подключены тиристорные ключи 7 и 8. Каждый тиристорный ключ выполнен из двух встречно-параллельно включенных тиристоров. К концу первичной обмотки преобразовательного трансформатора подключено начало тиристорного ключа 7, а к промежуточному выводу первичной обмотки - начало тиристорного ключа 8, причем концы первого и второго тиристорных ключей образуют общую точку, соединенную с аналогичными общими точками других фаз. Электроды управления тиристоров 11 и 12 тиристорного ключа 8 подключены к выходу элемента И 15, а электроды управления тиристоров 9 и 10 тиристорного ключа 7 подключены к выходу элемента И 15 через элементы 13 и 14 НЕ. Второй вход элемента 15 И подключен к выходу блока формирования сигнала нулевого значения напряжения 16, а первый вход элемента И 15 подключен к выходу блока формирования сигнала управления тиристорными ключами 17. Вход блока формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 соединен с выходом блока вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами 18.
Первый вход блока вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами 18 соединен с первым выходом блока формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19.
Второй вход блока вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами 18 подключен к выходу блока формирования сигнала запрета повышения уровня напряжения подстанции 21.
Блок формирования сигнала запрета повышения уровня напряжения подстанции 21 подключен к выходу блока формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени 22.
Первый вход блока формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени 22 соединен с первым выходом блока задатчика уровня напряжения подстанции 20, а второй выход блока формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени 22 подключен ко второму выходу блока формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19.
Первый вход блока формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19 соединен со вторым выходом блока задатчика уровня напряжения подстанции 20, а второй вход блока формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19 подключен к выходу блока измерения уровня напряжения подстанции 4.
Заявленная конструкция устройства для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции обеспечивает снижение стоимости устройства и его массогабаритных параметров, а также уменьшение потерь электроэнергии за счет применения в качестве регулирующего органа устройства тиристорных ключей, подключенных к отводам первичной обмотки трансформатора.
Устройство для автоматического регулирования напряжения на тяговой подстанции работает следующим образом.
С помощью блока задатчика уровня напряжения подстанции 20 (фиг. 1) устанавливают одно из промежуточных значений стабилизированного напряжения (характеристики 5, 6, 7 фиг. 2). Информацию о заданном уровне стабилизации блок задатчика уровня напряжения подстанции 20 передает в блок формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени 22 и в блок формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19.
Блок формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19 сравнивает значение выпрямленного напряжения подстанции, измеренное блоком измерения уровня напряжения подстанции 4, с заданным уровнем стабилизации, и, в зависимости от результата сравнения, осуществляет выбор одного из трех режимов работы устройства:
1) режим холостого хода преобразовательного трансформатора;
2) режим нагрузки преобразовательного трансформатора;
3) режим рекуперативного торможения поезда.
Например, в исходном положении блок задатчика уровня напряжения подстанции 20 устанавливает уровень стабилизации, соответствующий характеристике 6 (фиг. 2), а блок формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 подает сигнал управления, соответствующий характеристике 1.
Режим холостого хода преобразовательного трансформатора возникнет в момент отсутствия на межподстанционной зоне поезда, в этом случае заданный уровень стабилизации, установленный с помощью блока задатчика уровня напряжения подстанции 20, равен значению выпрямленного значения напряжения подстанции, измеренного блоком 4 измерения уровня напряжения подстанции. В результате чего блок формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19 сохраняет действующий уровень сигнала управления, формирует сигнал в блок вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами 18 и в блок формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени 22 об уровне сигнала, соответсвующего внешней характеристике 1 (фиг. 2). В таблице приведены соответствия уровней напряжения и сигналов управления определенной внешней характеристике.
Ввиду того, что значение уровня напряжения, сформированного блоком формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19, не превышает заданный уровень стабилизации на 2 ступени, блок формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени 22 не срабатывает и, соответственно, не срабывает и блок формирования сигнала запрета повышения уровня напряжения подстанции 21. Далее блок вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами 18 передает информацию о выбранном уровне сигнала управления на блок формирования сигнала управления тиристорными ключами 17, который обеспечивает передачу сформированного сигнала на электроды управления тиристоров.
d
dmax
Режим нагрузки преобразовательного трансформатора возникнет в момент появления на межподстанционной зоне поезда, при этом по мере приближения поезда к тяговой подстанции ток нагрузки I будет изменяться от нулевого значения (фиг. 2) до максимального I. В этом случае заданный уровень стабилизации, установленный с помощью блока задатчика уровня напряжения подстанции 20, становится больше значения выпрямленного значения напряжения подстанции, измеренного блоком измерения уровня напряжения подстанции 4, в результате чего блок формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19 повышает действующий уровень сигнала управления до уровня, соответствующего характеристике 2. Дальнейший алгоритм работы устройства аналогичен алгоритму в режиме холостого хода преобразовательного агрегата. Если после повышения уровня сигнала управления до значения, соответствующего характеристике 2, заданный уровень стабилизации, установленный с помощью блока задатчика уровня напряжения подстанции 20 остается больше значения выпрямленного значения напряжения подстанции, измеренного блоком измерения уровня напряжения подстанции 4, блок формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19 повышает действующий уровень сигнала управления до уровня, соответствующего характеристике 3 (фиг. 2).
При необходимости дальнейшего повышения действующего уровня сигнала управления до характеристики 4, произойдет срабатывание блока формирования сигнала превышения сформированного сигнала уровня напряжения подстанции над заданным уровнем напряжения на 2 ступени 22, в результате чего сработает блок формирования сигнала запрета повышения уровня напряжения подстанции 21, который сформирует сигнал о запрете повышения уровня напряжения подстанции и отправит его в блок вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами 18, который не сможет повысить действующий уровень сигнала управления до характеристики 4, тем самым защищая оборудование подстанции от перегрузки.
В режиме рекуперативного торможения поезда заданный уровень стабилизации, установленный с помощью блока задатчика уровня напряжения подстанции 20 становится меньше выпрямленного значения напряжения подстанции, измеренного блоком измерения уровня напряжения подстанции 4, блок формирования сигнала уровня напряжения подстанции 19 формирует сигнал понижения действующего уровня сигнала управления, который суммируется в блоке вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами 18, и, через блок формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 уровень сигнала управления понижается вплоть до характеристики 0 (фиг. 2), что обеспечивает возможность рекуперативного торможения подвижного состава.
По окончании рекуперативного торможения значение выпрямленного напряжения подстанции, измеренное блоком измерения уровня напряжения подстанции 4 становится меньшим или равным напряжению, соответствующему сигналу управления тиристорным ключами (см. таблицу), и, устройство возвращается в режим поддержания заданного уровня стабилизации.
После вычисления уровня сигнала управления тиристорными ключами блок формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 передает сформированный сигнал управления на электроды управления тиристоров 9 и 10 тиристорного ключа 7 через элемент И 15 в момент нулевого значения питающего напряжения и на электроды управления тиристоров 11 и 12 тиристорного ключа 8 также через элемент И 15 в момент нулевого значения питающего напряжения и через элементы НЕ 13 и 14. Передача каждого сигнала управления блоком формирования сигналов управления тиристорными ключами 17 осуществляется в течение четырех периодов питающего напряжения, в связи с чем и сигнал управления представлен в виде четырехразрядного двоичного кода (см. таблицу), где логическая единица соответствует открытому состоянию тиристорного ключа 8 и закрытому состоянию тиристорного ключа 7 в течение одного периода питающего напряжения. В этом случае напряжение сети приложено только к одной секции первичной обмотки преобразовательного трансформатора, тем самым обеспечивая наибольшее значение напряжения на нагрузке 3. Логический ноль соответствует закрытому состоянию тиристорного ключа 8 и открытому состоянию тиристорного ключа 7 в течение одного периода питающего напряжения. В этом случае напряжение сети приложено к полному числу витков первичной обмотки трансформатора, тем самым обеспечивая наименьшее значение напряжения на нагрузке 3.
В соответствии с Таблицей:
- для получения характеристики 0 (фиг. 2) блоком формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 осуществляется передача сигнала «0000», что соответствует открытому состоянию тиристорного ключа 7 и закрытому состоянию тиристорного ключа 8 в течение четырех периодов питающего напряжения;
- для получения характеристики 1 (фиг. 2) блоком формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 осуществляется передача сигнала «1000», что соответствует открытому состоянию тиристорного ключа 8 и закрытому состоянию тиристорного ключа 7 в течение одного периода питающего напряжения, а три последующих логических ноля - закрытому состоянию тиристорного ключа 8 и открытому тиристорного ключа 7 в течение трех периодов питающего напряжения;
- для получения характеристики 2 (фиг. 2) блоком формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 осуществляется передача сигнала «1100», что соответствует открытому состоянию тиристорного ключа 8 и закрытому состоянию тиристорного ключа 7 в течение двух периодов питающего напряжения, а два последующих логических ноля - закрытому состоянию тиристорного ключа 8 и открытому тиристорного ключа 7 в течение двух периодов питающего напряжения;
- для получения характеристики 3 (фиг. 2) блоком формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 осуществляется передача сигнала «1110», что соответствует открытому состоянию тиристорного ключа 8 и закрытому состоянию тиристорного ключа 7 в течение трех периодов питающего напряжения, а логический ноль - закрытому состоянию тиристорного ключа 8 и открытому тиристорного ключа 7 в течение одного периода питающего напряжения;
- для получения характеристики 4 (фиг. 2) блоком формирования сигнала управления тиристорными ключами 17 осуществляется передача сигнала «1111», что соответствует открытому состоянию тиристорного ключа 8 и закрытому состоянию тиристорного ключа 7 в течение четрых периодов питающего напряжения.
Реализация заявленного технического решения позволит относительно простыми средствами обеспечить регулирование выпрямленного напряжения на тяговых подстанциях постоянного тока, понижение напряжения в режиме рекуперативного торможения и исключение возможности перегрузки оборудования подстанции при пропуске тяжеловесных и скоростных поездов.
Использование тиристорных ключей вместо управляемых реакторов, позволит существенно сократить использование электротехнической меди и стали в переключающем устройстве, тем самым снизив материалоемкость и стоимость устройства, уменьшить его массогабаритные параметры, а также более чем в 10 раз сократить потери электроэнергии.
В соответствии с заявленным устройством разработана техническая документация. В лабораторных условиях изготовлен и испытан опытный образец устройства для автоматического регулирования напряжения на тяговых подстанциях постоянного тока. Результаты испытаний подтвердили работоспособность устройства и широкие возможности его практического применения в будущем.