УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИММЕТРИРОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОТЯГОВОЙ НАГРУЗКИ
DEVICE FOR BALANCING AND INCREASING CAPACITY FACTOR OF ELECTRIC TRACTION LOAD

Изобретение относится к устройствам электроснабжения железных дорог, электрифицированных на однофазном переменном токе напряжением 27,5 кВ частотой 50 Гц, и может быть использовано на тяговых подстанциях для симметрирования и повышения коэффициента мощности электротяговой нагрузки.
Известны однофазные установки поперечной и продольной компенсации, применяемые на тяговых подстанциях переменного тока (Марквард К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1982. - С.248-259).
Однако они не обеспечивают необходимый уровень симметрирования напряжения и тока.
В трехфазных электрических сетях широко используются трехфазные управляемые статические компенсирующие устройства с применением конденсаторных батарей и управляемых подмагничиванием трехфазных шунтирующих реакторов (Статические источники реактивной мощности в электрических сетях. / В.А.Веников, Л.А.Жуков, И.И.Карташов, Ю.П.Рыжов. - М.: Энергия, 1975, - 136 с.; Управляемые электрические реакторы. Специализированный выпуск.- Электротехника, 2003, №1. - С.2-63).
Однако данные устройства не могут одновременно компенсировать как реактивные составляющие токов прямой последовательности (ТПП), так и тока обратной последовательности (ТОП), которые появляются при несимметричной однофазной или двухфазной электротяговой нагрузке.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для симметрирования и повышения коэффициента мощности электротяговой нагрузки на тяговых подстанциях электрических железных дорог переменного тока, содержащее два блока конденсаторных батарей, два однофазных фазосмещающих трансформатора, первичная обмотка первого трансформатора подключена к опережающей фазе тягового трансформатора, а первичная обмотка второго трансформатора подключена к фазе обмотки тягового трансформатора, соединенного треугольником, которая включается в рассечку контактной сети смежных фидерных зон (SU 356734, МПК H02J 3/12, H02J 3/26, B60M 3/00. Устройство для симметрирования и повышения коэффициента мощности электротяговой нагрузки. / Р.Р.Мамошин, А.В.Ефимов - опубл. 23.10.1972, Б.И. №32) - прототип.
Однако, в связи с применением управляемых подмагничиваемых реакторов, данное устройство обладает не достаточным быстродействием и ограничительной глубиной регулирования, что требует увеличения мощности на 15-20%.
Другими недостатками применения управляемых подмагничиваемых реакторов из-за конструктивных и технологических особенностей является более высокая их стоимость по сравнению с трансформаторами (в 2,0-2,5 раза) и полупроводниковыми преобразователями (в 2,5-3 раза), а также сравнительно высокие общие потери в реакторах по отношению к их реактивной мощности (1-2%).
Недостатком данного устройства является необходимость разработки и применения дорогостоящего конденсаторно-реакторного оборудования на достаточно высокий уровень напряжения 27,5 кВ, а также отсутствие гальванической развязки между указанным оборудованием и высоковольтной тяговой сетью.
Все указанные недостатки приводят к понижению технико-экономических показателей устройства.
Целью изобретения является повышение технико-экономических показателей и быстродействие устройства.
Указанная цель достигается тем, что в устройство для симметрирования и повышения коэффициента мощности электротяговой нагрузки на тяговых подстанциях электрических железных дорог переменного тока дополнительно введены два блока автономных инверторов напряжения на запираемых тиристорах, шунтированных встречно включенными диодами, и третий однофазный трансформатор, причем первичная обмотка третьего трансформатора подключена к отстающей фазе тягового трансформатора, первые выводы переменного напряжения первого и второго автономных инверторов напряжения подключены к первому выводу вторичной обмотки третьего трансформатора, а вторые выводы переменного напряжения соответственно через вторичные обмотки первого и второго фазосмещающих трансформаторов подключены ко второму выводу вторичной обмотки третьего трансформатора, а выводы постоянного напряжения первого и второго автономных инверторов напряжения подключены соответственно к первому и второму блокам конденсаторных батарей, при этом первый автономный инвертор напряжения с первым блоком конденсаторных батарей и второй автономный инвертор напряжения со вторым блоком конденсаторных батарей могут быть выполнены по трехточечной схеме исполнения.
На фиг.1 и фиг.2 представлены принципиальные схемы включения предлагаемого устройства на шины распределительного устройства 27,5 кВ тяговой подстанции, у которой тяговая фаза a - отстающая, фаза b - свободная, фаза c - опережающая.
Устройство подключено к шинам фаз a, b, c распределительного устройства 27,5 кВ тяговой подстанции к которому также подключены выводы a, b, c вторичной обмотки тягового трансформатора, соединенной треугольником (не показана).
Устройство состоит из первого 1 и второго 2 однофазных фазосмещающих трансформаторов и из первого 3 и второго 4 блоков конденсаторных батарей, первичная обмотка первого 1 трансформатора подключена к опережающей фазе с (выводы b и c тягового трансформатора на стороне обмотки, соединенной треугольником), а первичная обмотка второго 2 трансформатора подключена к свободной фазе b, что тоже самое к фазе обмотки тягового трансформатора, соединенной треугольником, которая включается в рассечку контактной сети смежных фидерных зон (выводы a и b тягового трансформатора на стороне треугольника).
Устройство дополнительно содержит первый 5 и второй 6 автономные инверторы напряжения на запираемых тиристорах (например, на IGCT тиристорах), шунтированных встречно включенными диодами.
Особенностью шунтирующих диодов является то, что они должны иметь одинаковые с запираемыми тиристорами токи и напряжения.
Устройство также дополнительно содержит третий 7 однофазный трансформатор, при этом первичная обмотка третьего 7 трансформатора подключена к отстающей фазе а (выводы а и с тягового трансформатора на стороне обмотки, соединенной треугольником) тягового трансформатора.
Выводы переменного тока первого 5 автономного инвертора подключены на первую геометрическую сумму напряжений вторичной обмотки дополнительного третьего 7 трансформатора и первого 1 фазосмещающего трансформатора, составляющих первый несимметричный открытый треугольник напряжений, при этом первые выводы переменного напряжения первого 5 автономного инвертора напряжения подключены к первому выводу вторичной обмотки дополнительного третьего 7 трансформатора, а вторые выводы переменного напряжения первого 5 автономного инвертора напряжения через вторичные обмотки первого 1 фазосмещающего трансформатора подключены ко второму выводу вторичной обмотки дополнительного третьего 7 трансформатора.
Выводы переменного тока второго 6 автономного инвертора подключены на вторую геометрическую сумму напряжений вторичной обмотки дополнительного третьего 7 трансформатора и второго 2 фазосмещающего трансформатора, составляющих второй несимметричный открытый треугольник напряжений, при этом первые выводы переменного напряжения второго 6 автономного инвертора напряжения подключены к первому выводу вторичной обмотки дополнительного третьего 7 трансформатора, а вторые выводы переменного напряжения второго 6 автономного инвертора напряжения через вторичные обмотки второго 2 фазосмещающего трансформатора подключены ко второму выводу вторичной обмотки дополнительного третьего 7 трансформатора.
Выводы постоянного напряжения первого 5 автономного инвертора подключены к первому 3 блоку конденсаторных батарей, а выводы постоянного напряжения второго 6 автономного инвертора подключены ко второму 4 блоку конденсаторных батарей.
На фиг.2 приведен вариант устройства, в котором первый автономный инвертор напряжения 5 с первым блоком конденсаторных батарей 3 и второй инвертор напряжения 6 со вторым блоком конденсаторных батарей 4 выполнены по трехточечной схеме исполнения.
Устройство работает следующим образом.
Дополнительный третий трансформатор 7 понижает напряжение тяговой отстающей фазы а и формирует опорное напряжение, совпадающее с ней по фазе, одновременно обеспечивая гальваническую развязку вторичных обмоток первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов, первого 5 и второго 6 автономных инверторов напряжения, а следовательно, первого 3 и второго 4 блоков конденсаторных батарей от высокого напряжения 27,5 кВ.
Первый фазосмещающий трансформатор 1 понижает напряжение тяговой опережающей фазы с и формирует первое фазосдвигающее напряжение, одновременно обеспечивая гальваническую развязку вторичной обмотки дополнительного трансформатора 7, первого автономного инвертора напряжения 5 и первого блока конденсаторов 3 от высокого напряжения 27,5 кВ.
Второй фазосмещающий трансформатор 2 понижает напряжение тяговой свободной фазы b и формирует второе фазосдвигающее напряжение, одновременно обеспечивая гальваническую развязку вторичной обмотки дополнительного трансформатора 7, первого автономного инвертора напряжения 6 и второго блока конденсаторов 4 от высокого напряжения 27,5 кВ.
1
1
За счет геометрического сложения опорного напряжения вторичной обмотки дополнительного трансформатора 7 и первого фазосдвигающего напряжения вторичной обмотки первого трансформатора 1 формируется вектор первого результирующего напряжения U, подаваемого на выводы переменного напряжения первого автономного инвертора напряжения 5, имеющий угол сдвига по фазе относительно напряжения тяговой отстающей фазы a, равный ψ.
2
2.
За счет геометрического сложения опорного напряжения вторичной обмотки дополнительного трансформатора 7 и второго фазосдвигающего напряжения вторичной обмотки второго трансформатора 2 формируется вектор первого результирующего напряжения U, подаваемого на выводы переменного напряжения второго автономного инвертора напряжения 6, имеющий угол сдвига по фазе относительно напряжения тяговой отстающей фазы а, равный ψ
Т3
Коэффициент трансформации К дополнительного третьего трансформатора 7 определяется необходимым уровнем опорного напряжения, совпадающего по фазе с тяговой отстающей фазы a, который, в свою очередь, выбирается исходя из минимальных затрат на преобразовательное, конденсаторное и трансформаторное оборудование.
T1
Т2
Угол сдвига фаз между токами прямой и обратной последовательности каждого из трансформаторно-конденсаторных блоков определяется коэффициентом трансформации K первого 1 и К второго 2 фазосдвигающих трансформаторов, которые определяются из следующих выражений:
1
где ψ - угол сдвига по фазе результирующего вектора напряжения, подаваемого на первый автономный инвертор 5, относительно напряжения тяговой отстающей фазы a;
2
ψ - угол сдвига по фазе результирующего вектора напряжения, подаваемого на второй автономный инвертор 6, относительно напряжения тяговой отстающей фазы a;
Т3
К - коэффициент трансформации дополнительного третьего трансформатора 7.
1
1
2
2
Напряжение E, формируемое первым автономным инвертором 5, синхронизируется по фазе с первым результирующим напряжением U, а напряжение E, формируемое вторым автономным инвертором 6, синхронизируется по фазе со вторым результирующим напряжением U.
1
2
1
1
2
2
1
2
Изменяя моменты отпирания и запирания тиристоров автономных инверторов напряжения 5 и 6, можно независимо друг от друга изменять напряжения на конденсаторных блоках 3 и 4 и соответственно независимо изменять напряжения E и E, формируемые инверторами 5 и 6. Если напряжения E>U и E>U, то токи инверторов I и I опережают напряжения на их зажимах на 90° и направлены от инверторов в сеть. При этом инверторы выдают (генерируют) реактивную мощность в сеть.
1
1
2
2
1
2
Если E<U и E<U, то токи инверторов I и I отстают от напряжений на 90° и направлены из сети к инверторам. Инверторы потребляют реактивную мощность из сети.
1
1
2
2
1
2
Если Е=U и E=U, то токи инверторов I и I равны нулю и инверторы не выдают и не потребляют реактивную мощность.
Достоинством устройства является то, что изменения напряжений, токов и реактивных мощностей выполняются мгновенно, безынерционно и непрерывно.
1
2
Для обеспечения симметрирования и повышения коэффициента мощности электротяговой нагрузки устройство обеспечивает формирование специальной системы ТПП, компенсирующей в необходимой степени реактивную систему ТПП тяговой нагрузки, а также обеспечивает одновременное формирование специальной системы ТОП, которая уравновешивает систему ТОП тяговой нагрузки. Причем выполнение этих двух функций обеспечивается независимым регулированием только величины генерируемых токов и I, и I.
1
2
1
2
Для уменьшения гармонических составляющих в напряжениях E и Eи в токах I и I инверторы напряжения 5 и 6 с соответствующими блоками конденсаторов 3 и 4 выполнены по трехточечной схеме исполнения.
Таким образом, устройство имеет более высокие технико-экономические показатели и позволяет с высоким быстродействием обеспечить практически полное симметрирование и значительное повышение коэффициента мощности во всем диапазоне изменения по фидерам питания электротяговой нагрузки.
Это позволяет повысить качество электрической энергии, уменьшить потери электроэнергии, стабилизировать напряжение на шинах тяговых подстанции, увеличить скорость движения поездов, повысить провозную и пропускную способность железных дорог.