ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2259284
ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА СО СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМ ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
Имя изобретателя: Быкадоров А.Л. (RU); Заруцкая Т.А. (RU); Петрушин А.Д. (RU); Фигурнов Е.П.
Имя патентообладателя: Быкадоров Александр Леонович (RU); Заруцкая Татьяна Алексеевна (RU); Петрушин Александр Дмитриевич (RU); Фигурнов Евгений Петрович
Адрес для переписки: 344038, г.Ростов-на-Дону, пл. Народного ополчения, 2, РГУПС, НИС
Дата начала действия патента: 2003.02.18
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта,
электрифицированного по системе постоянного тока, содержащей тяговые подстанции (ТП),
преобразующие трехфазный переменный ток, получаемый из энергосистемы, в постоянный
ток, поступающий через контактную сеть к электроподвижному составу как снабженному
системой рекуперации, так и без нее. Тяговая подстанция постоянного тока со
сверхпроводниковым индуктивным накопителем содержит силовой трансформатор,
выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, блок конденсаторов, сверхпроводниковый
индуктивный накопитель энергии, четыре криотрона, шесть полупроводниковых
управляемых ключей, блок управления криотронами и полупроводниковыми ключами, датчики
тока и напряжения. Изобретение позволит частично или полностью устранить
неравномерность энергопотребления в системе, поддерживать на заданном уровне
мощность ТП во время эксплуатации, уменьшить потери энергии во внутренней и внешней
системе электроснабжения, снизить мощности агрегатов ТП, принимать энергию
рекуперации.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может
использоваться на тяговых подстанциях (ТП) постоянного тока.
Известна тяговая подстанция постоянного тока [1], содержащая силовой
трансформатор, выпрямитель, выпрямительно-инверторный преобразователь (или
поглощающие устройства), сглаживающий фильтр с реактором. Данное устройство
подстанции имеет следующие недостатки:
- при инвертировании избыточной энергии рекуперации в первичную сеть имеют место
значительные потери энергии;
- при инвертировании создается повышенное мешающее влияние на линии связи и
радиоаппаратуру, так как выпрямительно-инверторные преобразователи в этом режиме
работают со сравнительно большими углами регулирования;
- качество инвертируемой энергии не соответствует ГОСТ;
- при применении поглощающих устройств, избыточная энергия гасится на балластных
сопротивлениях, что является чистыми потерями электроэнергии.
Известна тяговая подстанция постоянного тока с батарейным накопителем [2]. Указанная
система содержит силовой трансформатор, преобразователи, выпрямитель, накопитель (свинцовая
аккумуляторная батарея), соединенный с узлами подачи электроэнергии в контактную сеть
через регулятор постоянно-постоянного тока.
К недостаткам указанной тяговой подстанции следует отнести:
- конструкция накопителя содержит большое количество контактных соединений, что
снижает надежность устройства в целом;
- значительные потери энергии при ее хранении из-за саморазряда аккумуляторной
батареи;
- применение технически сложного регулятора постоянно-постоянного тока.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является
тяговая подстанция переменного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем [3].
Эта тяговая подстанция содержит силовой трансформатор, фильтр, преобразователь
переменного тока в постоянный, состоящий из четырехквадрантного регулятора,
промежуточного контура постоянного напряжения с поглощающей цепью и импульсного
регулятора постоянного тока, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИН),
соединенный со сборной шиной через преобразователь постоянного тока в постоянный с
промежуточным звеном постоянного тока и силовой трансформатор.
Указанная тяговая подстанция не позволяет принимать избыточную энергию рекуперации,
имеет сложную громоздкую структуру с многократным преобразованием энергии в силовой
части, что снижает надежность работы схемы и вызывает значительные потери энергии в
преобразователях.
Техническим результатом, достигаемым благодаря заявляемому устройству, является:
- сокращение потерь энергии во внутренней и внешней системе электроснабжения и
расходов энергии, получаемой из энергосистемы на тягу;
- упрощение конструкции ТП постоянного тока за счет исключения инверторного блока;
- повышение надежности работы ТП со СПИН.
Сокращение потерь энергии достигается за счет того, что СПИН являеться аккумулятором
энергии, который принимает энергию от системы внешнего электроснабжения в период
спада тяговой нагрузки и передает ее в тяговую сеть при значительном ее увеличении.
Этим выравнивается режим потребления энергии от внешней системы, что приводит к
снижению потерь. Сокращение расходов энергии, получаемой из энергосистемы на тягу,
осуществляется за счет приема энергии рекуперации СПИН с последующим возвратом ее на
тягу.
Упрощение ТП постоянного тока обеспечивается исключением из ее состава инверторного
блока, поскольку эти функции переданы в изобретении СПИН.
Повышение надежности работы ТП со СПИН обеспечивается за счет упрощения
схемотехнического решения и сокращения числа управляющих элементов в цепи
преобразования энергии.
Технический результат достигается тем, что в тяговую подстанцию постоянного тока со
сверхпроводниковым индуктивным накопителем, подключенную к контактной сети и рельсам,
содержащую силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором,
включенным между рельсами и минусовой шиной тяговой подстанции, сверхпроводниковый
индуктивный накопитель, блок преобразования, регулирования и перераспределения
энергии между сверхпроводниковым индуктивным накопителем, выпрямителем и контактной
сетью, датчики тока и напряжения, согласно изобретению, дополнительно введены четыре
криотрона, шесть полупроводниковых управляемых ключей и блок конденсаторов. Причем
блок преобразования, регулирования и перераспределения включает в себя криотроны,
собранные по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен сверхпроводниковый
индуктивный накопитель, а другая диагональ моста, состоящая из левой и правой части,
шунтирована третьим и шестым полупроводниковыми ключами. Правая часть моста соединена
с анодом третьего полупроводникового ключа, катодом шестого полупроводникового ключа,
минусовым выводом блока конденсаторов и минусовой шиной тяговой подстанции. К левой
части моста подсоединены катоды третьего и пятого полупроводниковых ключей и аноды
второго и шестого полупроводниковых ключей. К анодам первого и пятого
полупроводниковых ключей присоединены катоды второго и четвертого полупроводниковых
ключей и плюсовой вывод блока конденсаторов, к катоду первого полупроводникового
ключа и аноду четвертого полупроводникового ключа присоединена плюсовая шина тяговой
подстанции. При этом управляющие выводы всех полупроводниковых ключей и криотронов
соединены с соответствующими выводами блока управления, ко входам которого подключен
выход датчика тока, включенного между минусовой шиной тяговой подстанции и рельсами в
цепь реактора и выход датчика напряжения, включенного между плюсовой и минусовой
шинами тяговой подстанции. Причем при длительном хранении энергии все криотроны
замкнуты, а полупроводниковые ключи разомкнуты. При поступлении энергии в
сверхпроводниковый индуктивный накопитель второй и третий криотроны размыкаются,
замыкается четвертый полупроводниковый ключ на время заряда блока конденсаторов,
после чего размыкается третий и четвертый и замыкается пятый полупроводниковый ключ
на время разряда блока конденсаторов на сверхпроводниковый индуктивный накопитель. А
при отборе энергии - размыкается первый и четвертый криотроны, замыкается второй
полупроводниковый ключ на время заряда блока конденсаторов, после чего он размыкается,
и замыкаются первый и шестой полупроводниковые ключи на время разряда блока
конденсаторов на контактную сеть.
Изобретение поясняется графически на фиг.1 - 3.
|
|
|
|
|
На фиг.1 изображена общая схема
заявляемой ТП со СПИН, на которой показаны: силовой трансформатор Т, выпрямитель
тяговой подстанции В, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии СПИН,
сглаживающий фильтр, состоящий из конденсатора Сф и реактора Lp, блок
конденсаторов С, криотроны К1÷К4, находящиеся в холодной зоне, полупроводниковые
управляемые ключи ПК1÷ПК6, блок управления БУ, система датчиков тока ДТ и напряжения
ДН, электроподвижной состав ЭПС, контактная сеть КС, рельс Р.
На фиг.2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу ТП при поступлении энергии в
СПИН от ЭПС или от выпрямителя. Первые пять временных диаграмм показывают состояние
ключей. Замкнутое состояние ключей отмечено заштрихованной областью. Шестая, седьмая и
восьмая временные диаграммы показывают изменение тока в СПИН (Iспин), на блоке
конденсаторов (Iс) и на ЭПС (Iэпс ). Девятая, десятая и одиннадцатая -
изменение напряжения в СПИН (Uспин), на блоке конденсаторов (Uc) и на ЭПС (Uэпс).
На фиг.3 показаны временные диаграммы, поясняющие работу устройства при отдаче
энергии от СПИН в контактную сеть. Последовательность изображения временных диаграмм
такая же, как и на фиг.2.
При движении ЭПС из тяговой сети потребляется ток определенной величины,
соответствующий выбранному режиму работы. При рекуперации ЭПС ток, поступающий в
тяговую сеть, должен быть непрерывным и по величине отвечать требуемому тормозному
эффекту. При этом необходимо обеспечивать непрерывное поступление энергии в тяговую
сеть, или прием энергии рекуперации из нее. Непосредственное подключение СПИН к
тяговой сети приводит к противоречию, заключающемуся в том, что невозможно плавно
управлять потоком энергии СПИН, так как он является источником тока. В этом случае ток в
тяговой сети будет значительно превышать требуемое значение, что приведет к аварийной
ситуации.
|
В заявляемой тяговой подстанции указанное противоречие разрешается следующим
образом: энергия от СПИН в тяговую сеть постоянного тока и обратно поступает порциями с
промежуточным кратковременным ее запасом в блоке конденсаторов. При этом ток,
поступающий в тяговую сеть, будет соответствовать текущему режиму работы ЭПС. Сам
процесс перераспределения энергии между СПИН, блоком конденсаторов и тяговой сетью
выполняется с помощью полупроводниковых ключей, находящихся вне охлаждаемой зоны и
криотронов. Таким образом, наличие блока конденсаторов позволяет сделать процесс
управляемым. Блок конденсаторов, получая порцию энергии на кратковременное хранение,
порядка единиц миллисекунд, позволяет перевести СПИН в режим хранения энергии, когда
он замкнут сам на себя, и в этот период отключать его от тяговой сети.
Устройство обеспечивает три режима работы. Первый режим - длительное хранение
энергии. В этом режиме КС питается от трансформатора Т и выпрямителя В, а запасенная
энергия в СПИН хранится за счет циркуляции в нем тока без потерь. Второй режим -
накопление энергии в СПИН от ЭПС или от ТП. В этом режиме СПИН принимает энергию от
рекуперирующего ЭПС или от ТП в период спада нагрузки. Третий режим - отдача энергии из
СПИН в контактную сеть. Этот режим позволяет снизить передачу энергии от внешней
энергосистемы на ТП в период пика энергопотребления на КС, за счет передачи энергии из
СПИН в КС, т.е. за счет параллельной работы ТП и СПИН на КС.
Первый режим - длительное хранение энергии в СПИН и независимая работа ТП на
контактную сеть.
Криотроны К1, К2, К3, К4 - замкнуты, полупроводниковые управляемые ключи ПК1, ПК2, ПК3, ПК4,
ПК5, ПК6 - разомкнуты. При этом СПИН отделен от тяговой сети, замкнут сам на себя и
находится в режиме длительного хранения энергии без потерь в сверхпроводящем контуре.
Второй режим - накопление энергии в СПИН от ЭПС в режиме рекуперации или от ТП.
Исходное состояние криотронов и полупроводниковых ключей - их положение,
соответствующее режиму длительного хранения энергии (первому режиму). При появлении
тока рекуперации или при необходимости поддержания на заданном уровне
энергопотребления ТП, по сигналу блока управления БУ замыкается ключ ПК4 и энергия по
пути ЭПС - Ф - ПК4 - С (в случае рекуперации) или по цепи Т - В - Ф ПК4 - С (в случае поступления
энергии в СПИН от ТП) поступает в блок конденсаторов С. После завершения цикла заряда С,
размыкается ПК4. Затем замыкается ПК5, после этого размыкаются на все время работы
второго режима криотроны К2 и К3, вследствие чего энергия, накопленная в блоке
конденсаторов С, поступает в СПИН по пути С - ПК5 - К1 -СПИН - К4 - С. После разряда блока
конденсаторов до значения, близкого к нулю, блок управления БУ выдает сигнал на
замыкание ПК3, размыкание ПК5 и замыкание ПК4. Это обеспечит цикл повторного заряда
блока конденсаторов по описанному ранее контуру. Далее по сигналу БУ размыкается ПК4,
замыкается ПК5 и размыкается ПКЗ. Начиная с этого момента идет процесс разряда С на СПИН
по описанному ранее пути. Далее циклы повторяются.
Третий режим - отдача энергии из СПИН в контактную сеть. Исходное состояние ключей -
положение, соответствующее режиму длительного хранения энергии (первому режиму). При
необходимости поддержания на заданном уровне энергопотребления ТП, по сигналу БУ
замыкается ключ ПК2, размыкаются на все время поступления энергии в тяговую сеть
криотроны К1 и К4. Блок конденсаторов С заряжается по контуру: СПИН - К3 - ПК2 -С - К2 - СПИН.
Далее после заряда С выше напряжения контактной сети, замыкаются ПК6 и ПК1, размыкается
ПК2. Энергия, накопленная в конденсаторной батарее С, поступает в контактную сеть по
цепи С - ПК1 - фильтр - КС - ЭПС. После выравнивания напряжения на блоке конденсаторов Сив
контактной сети, размыкается ПК1, и процесс заряда блока конденсаторов начинается
снова по описанному ранее циклу. После завершения режима выравнивания нагрузки по
сигналу датчиков Д устройство переходит в первый режим путем замыкания всех
криотронов К1, К2, К3, К4 и размыкания всех остальных ключей.
Для устранения неравномерности энергопотребления ТП и дозированного отбора энергии
из СПИН этим потоком энергии можно управлять, изменяя соотношения времени открытого и
закрытого состояния полупроводниковых ключей. Работоспособность данного устройства
обеспечивается тем, что необходимые элементы для данного устройства существуют и
выпускаются промышленностью. Эффективную совместную работу ТП, ЭПС и СПИН во всем
диапазоне нагрузок обеспечивают частотные свойства, класс по напряжению и токовые
нагрузки современных полупроводниковых приборов, например IGCT 5SHY 35L4502 (производитель ABB
Semiconductors AG).
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.М.Бей, P.P.Мамошин и др. Тяговые подстанции./Учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.:
Транспорт, 1986 - 319 с.
2. Применение батарейного накопителя на горной железной дороге. Железные дороги мира.
- 1998, №3, с.37-40.
3. Выравнивание нагрузки тяговых подстанций с помощью аккумуляторов энергии.
Железные дороги мира. - 1997, №1, с.43-50.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем,
подключенная к контактной сети и рельсам, содержащая силовой трансформатор,
выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, включенным между рельсами и минусовой
шиной тяговой подстанции, сверхпроводниковый индуктивный накопитель, блок
преобразования, регулирования и перераспределения энергии между сверхпроводниковым
индуктивным накопителем, выпрямителем и контактной сетью, датчики тока и напряжения,
отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены четыре криотрона, шесть
полупроводниковых управляемых ключей и блок конденсаторов, причем блок
преобразования, регулирования и перераспределения энергии включает в себя криотроны,
собранные по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен сверхпроводниковый
индуктивный накопитель, а другая диагональ моста, состоящая из левой и правой частей
шунтирована третьим и шестым полупроводниковыми ключами, правая часть моста
соединена с анодом третьего полупроводникового ключа, катодом шестого
полупроводникового ключа, минусовым выводом блока конденсаторов и минусовой шиной
тяговой подстанции, к левой части моста подсоединены катоды третьего и пятого
полупроводниковых ключей и аноды второго и шестого полупроводниковых ключей, к анодам
первого и пятого полупроводниковых ключей присоединены катоды второго и четвертого
полупроводниковых ключей и плюсовой вывод блока конденсаторов, к катоду первого
полупроводникового ключа и аноду четвертого полупроводникового ключа присоединена
плюсовая шина тяговой подстанции, при этом управляющие выводы всех полупроводниковых
ключей и криотронов соединены с соответствующими выводами блока управления, ко входам
которого подключены выход датчика тока, включенного между минусовой шиной тяговой
подстанции и рельсами в цепь реактора, и выход датчика напряжения, включенного между
плюсовой и минусовой шинами тяговой подстанции, причем при длительном хранении
энергии все криотроны замкнуты, а полупроводниковые ключи разомкнуты, при поступлении
энергии в сверхпроводниковый индуктивный накопитель второй и третий криотроны
размыкаются, замыкается четвертый полупроводниковый ключ на время заряда блока
конденсаторов, после чего размыкается третий и четвертый и замыкается пятый
полупроводниковые ключи на время разряда блока конденсаторов на сверхпроводниковый
индуктивный накопитель, а при отборе энергии размыкается первый и четвертый криотроны,
замыкается второй полупроводниковый ключ на время заряда блока конденсаторов, после
чего он размыкается и замыкаются первый и шестой полупроводниковые ключи на время
разряда блока конденсаторов на контактную сеть.
Версия для печати
Дата публикации 18.02.2007гг
вверх
|
