Устройство для подключения конденсаторов к тяговой сети переменного тока

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конденсаторным установкам, предназначенных для дискретно регулируемой поперечной компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока электрифицированных железных дорог.

Известно устройство для подключения конденсаторов к тяговой сети переменного тока при помощи электрических аппаратов, токоограничивающих резисторов и реактора (Герман Л.А. Двухступенчатая установка поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока / Л.А. Герман, А.С. Серебряков, Д.Е. Дулепов // М.: Электроника и электрооборудование транспорта, №1, 2011, стр. 17, рис. 1).

К недостаткам известного устройства на основе электрических аппаратов и токоограничивающих резисторов следует отнести возникновение сравнительно больших бросков токов как в начальный момент включения конденсаторов через резисторы, так и на завершающей стадии при шунтировании резисторов. Это снижает эксплуатационную надежность конденсаторов, подключаемых к тяговой сети переменного тока для поддержания напряжения в системе тягового электроснабжения. Причиной больших коммутационных токов у конденсаторов и в тяговой сети является то, что электрические аппараты не обеспечивают управляемого включения.

Известно также устройство для подключения конденсаторов к сети переменного тока (Климаш B.C., Тараканов В.И. Способы включения трехфазного электрооборудования и их реализация. Журнал "Электротехнические комплексы и системы управления". Воронеж, 2015, №2, рис. 6, стр. 27.). Устройство может реализовать подключение как индуктивных нагрузок (Способ включения трехфазных нагрузок. Патент 2510070 РФ / B.C. Климаш, В.И. Тараканов. Опубл. 20.03.2014., Б.И. №8.), так и емкостных нагрузок (Способ включения трехфазных конденсаторов. Патент 2577769 РФ /B.C. Климаш, В.И. Тараканов, А.Ю. Гетопанов. Опубл. 20.03.2016., Б.И. №8.).

В известном устройстве после включения автоматического выключателя соответствующей ступени трехфазное напряжение сети подается на конденсаторы через тиристорный ключ со специальной синхронизированной и фазированной с сетью аналогово-цифровой системы управления. Тиристорный ключ производит подключение сначала двух фаз, а затем третьей фазы батареи конденсаторов к трехфазной сети.

После достижения напряжения на конденсаторах установившегося значения тиристорный ключ шунтируется контактором, а после выключения автоматического выключателя конденсаторы разряжают на резисторы, которые подключаются параллельно конденсаторам.

Однако и это устройство создает сложности при эксплуатации компенсаторов реактивной мощности и снижает надежность системы электроснабжения в целом, из-за большого количества элементов силовой электроники. Особенно этот недостаток проявляет себя применительно к высоковольтным системам электроснабжения.

Наиболее близким по физической сущности к заявляемому, является устройство для подключения конденсаторов к тяговой сети переменного тока (Ю.М. Иньков, СВ. Климаш, B.C. Климаш Электронно-электрические аппараты для компенсаторов реактивной мощности в промышленных и тяговых сетях // М.: Практическая силовая электроника, №2(70), 2018, с. 31-35, рис. 3, б.), которое взято за прототип.

Устройство-прототип представляет собой двух- или трехступенчатую установку поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока. Каждая ступень устройства содержит однофазный мостовой диодный выпрямитель, в цепь постоянного тока которого включен сглаживающий дроссель, а в цепь переменного тока блок конденсаторов. Устройство обеспечивает мягкое подключение конденсаторов каждой ступени к сети переменного тока. Вместе с тем, ему свойственны недостатки, связанные с большим количеством электромагнитных и электронных элементов. Они проявляются в технико-экономических показателях и эксплуатационной надежности устройства.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение устройства, повышение его технико-экономических показателей и эксплуатационной надежности системы тягового электроснабжения.

В результате решения поставленной задачи в устройстве с N- ступенчатым подключением блоков конденсаторов уменьшится количество диодов на 2(N-1) и сглаживающих дросселей в N раз. Уменьшение количества элементов улучшит массогабаритные показатели устройств для подключения конденсаторов к тяговой сети, снизит их стоимость и повысит эксплуатационную надежность, снизит трудоемкость производства конденсаторных установок и работ, связанных с их обслуживанием и ремонтом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что вводится общая диодная ветвь, которая со всеми диодными ветвями подключена параллельно к сглаживающему дросселю, при этом начала блоков конденсаторов трех ступеней соответственно через выключатели этих ступеней подключены к тяговой сети переменного тока, а концы блоков конденсаторов трех ступеней соответственно через контакторы этих ступеней объединены и подключены к точке соединения диодов общей диодной ветви, к которой также через реактор подключен рельс.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 изображена схема устройства, а на фиг. 2 и фиг. 3 осциллограммы токов и напряжений тяговой сети (сверху), конденсаторов (в середине) и сглаживающего дросселя (снизу) соответственно при двух- и трехступенчатом регулировании реактивной мощности, полученных имитационным моделированием устройства в среде MatLab и приведенных в относительных единицах.

Устройство (фиг. 1) состоит из следующих элементов: 1 - тяговая сеть; 2 - рельс; 3, 4, 5 - блоки конденсаторов первой, второй и третьей ступеней; 6, 7, 8 - диодные ветви однофазных мостовых выпрямителей первой, второй и третьей ступеней; 9 - общая диодная ветвь для трех однофазных мостовых выпрямителей; 10, 11, 12 -выключатели первой, второй и третьей ступеней; 13, 14, 15 - контакторы первой, второй и третьей ступеней; 16 - сглаживающий дроссель; 17 - реактор.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Начала первого блоков конденсаторов 3, 4, 5 первой, второй и третьей ступеней через выключатель 10, 11, 12 соответственно этих ступеней подключены к тяговой сети 1. Концы блоков конденсаторов 3, 4, 5 первой, второй и третьей ступеней соответственно подключены к точкам соединения диодов диодных ветвей 6, 7, 8 однофазных мостовых выпрямителей, а также через контакторы 13, 14, 15 подключены к точке соединения диодов общей диодной ветви 9, к которой также через реактор 17 подключен рельс 2. Все диодные ветви 6, 7, 8 и 9 трех однофазных мостовых выпрямителей подключены параллельно к сглаживающему дросселю 16.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Электропоезда вместе с потреблением полезной активной мощности загружают тяговую сеть реактивной мощностью. От реактивной мощности увеличивается ток и электрические потери в тяговой сети. Кроме этого увеличивается падение и потеря напряжения, создавая общее снижение напряжения в тяговой сети.

Для разгрузки тяговой сети от реактивного тока и выравнивания напряжения на электрифицированных железных дорогах применяют конденсаторные установки с двухступенчатым регулированием.

В предлагаемом устройстве (фиг. 1) включение первой ступени производится соответственно первым выключателем 10. Он подает напряжение тяговой сети на первый блок конденсаторов 3 через первый однофазный мостовой диодный выпрямитель с диодными ветвями 6, 9 и сглаживающим дросселем 16 в цепи постоянного тока. За счет естественных свойств диодного выпрямителя производится плавное увеличение тока сглаживающего дросселя 16 по экспонициальному закону (фиг. 2, снизу) с плавным нарастанием тока и напряжения заряда конденсаторов первого блока 3 (фиг. 2, в середине). Одновременно с увеличением выпрямленного тока увеличивается угол коммутации диодов, улучшая форму тока через конденсаторы и в сети. В завершении переходного процесса заряда конденсаторов первой ступени диодные ветви 6 и 9 первого однофазного выпрямителя шунтируют контактором 13. Результатом включения первой ступени конденсаторов является частичное повышение напряжения и снижение величины и фазы тока в тяговой сети (фиг. 2, сверху).

При необходимости дальнейшего повышения напряжения и снижения величины и фазы тока в тяговой сети (фиг. 2, сверху) включают вторую ступень конденсаторов 4. Это производится подачей напряжения на второй блок конденсаторов 6 посредством второго выключателя 11 через второй однофазный мостовой диодный выпрямитель с диодными ветвями 7, 9 и сглаживающим дросселем 16 в цепи постоянного тока. Завершают включение второй ступени конденсаторной установки подключением второго блока конденсаторов 4 параллельно первому блоку конденсаторов 3 при помощи контактора 14.

Третья ступень конденсаторов 5 остается в резерве вместе с диодной ветвью 8, выключателем 12 и контактором 15. Предусмотрено введение ее в работу взамен первой или второй ступеням при выполнении ревизий, профилактического ремонта или замены электрических аппаратов в этих ступенях без нарушения нормального режима работы системы тягового электроснабжения. Включение третьей ступени конденсаторов 5 производится подачей на него напряжения посредством третьего выключателя 12 через третий однофазный мостовой диодный выпрямитель с диодными ветвями 8, 9 и сглаживающим дросселем 16 в цепи постоянного тока. Завершают включение третьей ступени конденсаторной установки подключением третьего блока конденсаторов 5 параллельно блокам конденсаторов 3 и(или) 4 при помощи контактора 15.

Применяемый в устройстве реактор 17 имеет двойное назначение. Во-первых, он предотвращает резонансные явления в тяговой сети и, во-вторых, смягчает переходные процессы на завершающих стадиях включения контакторами 13 и 14 первой и второй ступеней компенсации реактивной мощности.

Качество выполняемых операций в предлагаемом устройстве (фиг. 1) электронными и электрическими аппаратами при двухступенчатом подключении блоков конденсаторов к тяговой сети характеризуется динамическими процессами (фиг. 2), которые получены на имитационной модели. Численными экспериментами в среде MatLab установлено, что предлагаемое устройство, являясь электронно-электрический пускателем, производит подключение первой и второй ступеней конденсаторов к тяговой сети без всплеска тока как на начальных стадиях при нулевых и не нулевых начальных условиях, так и на завершающей стадии. Осциллограммами (фиг. 2) показано, что переходные процессы протекают с плавным нарастанием тока и напряжения заряда конденсаторов. Экспоненциальный характер и время заряда конденсаторов задаются индуктивностью сглаживающего дросселя 12. После заряда конденсаторов первого блоков 3 через первый однофазный мостовой диодный выпрямитель, его диодные ветви 6 и 9 шунтируются первым контактором 13, а после заряда конденсаторов второго блоков 4 через второй однофазный мостовой диодный выпрямитель, его диодные ветви 7 и 9 шунтируются вторым контактором 14. Отсекая контакторами 13 и 14 электронную часть устройства от системы тягового электроснабжения, одновременно через диодные ветви 6, 7 и 9 создают замкнутые контуры для гашения электромагнитной энергии, накопленной в сглаживающем дросселе 16.

После подключения первой, а затем второй ступени конденсаторов тяговая сеть разгрузилось от реактивных составляющих тока и мощности. Ток потребления снизился и стал совпадать по фазе с напряжением тяговой сети. В результате этого, освободившись от потери напряжения и частично от падения напряжения, тяговая сеть восстановила напряжение питания электровозов до номинального уровня (см. фиг. 2, сверху, временной интервал от 0, 225 до О, 275 с).

На отдельных наиболее загруженных участках железной дороги, особенно с продолжительными подъемами, устройство может работать с трехступенчатым регулированием. Динамические процессы предлагаемого устройства с трехступенчатым регулированием иллюстрированы на фиг. 3 осциллограммами, полученными на модели в среде MatLab.

Устройство может быть укомплектовано большим числом ступеней. В комплект каждой ступени вместе с блоком конденсаторов входит выключатель, контактор и диодная ветвь. Общими для всех ступеней устройства являются три элемента. Это общая диодная ветвь 9, сглаживающий дроссель 16 и реактор 17.

Областью применения предлагаемого устройства являются компенсаторы реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока.

Предлагаемое техническое решение, как простое и более надежное для систем тягового электроснабжения может заменить известные устройства для подключения конденсаторов к тяговой сети.