Устройство для компенсации неактивных составляющих мощности и отклонений напряжения тяговой подстанции

Изобретение относится к области электрифицированного железнодорожного транспорта. Предлагаемое устройство предназначается для стабилизации напряжения тяговой сети постоянного тока с одновременной компенсацией реактивной мощности питающей сети переменного тока. Устройство содержит главный трансформатор, в первичную цепь которого включен вольтодобавочный трансформатор, а во вторичную - выпрямитель с фильтрокомпенсирующими цепями. Управление вольтодобавочным трансформатором производят изменением фазы выходного напряжения инвертора с естественной коммутацией, который синхронизирован с напряжением сети переменного тока и получает питание от тяговой сети постоянного тока. Технический результат заключается в упрощении устройства и повышении энергетических показателей. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к системам энергоснабжения электрофицированного транспорта и может быть использовано на тяговых подстанциях для экономии электроэнергии и улучшения качества напряжения тяговой сети.

Известно устройство для компенсации отклонений напряжения тяговой сети, которое содержит две группы трехфазных магнитных ключей, подключенных с двух сторон к дополнительной первичной обмотке главного трансформатора тяговой подстанции (в кн. Сергиенков Б.Н. и др. Электрические машины: Трансформаторы: Учебное пособие для вузов / Под ред. И.П.Копылова. - М.: Высшая школа, 1989, с.242, рис.8.14), а вторичная обмотка через выпрямитель и токоограничивающий реактор подключена к тяговой сети (в кн. Энергетическая электроника: Справочное пособие: пер. с нем. / Под ред. В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.272, рис.5.2), при этом дополнительная первичная обмотка включена в рассечку звезды основной первичной обмотки главного трансформатора тяговой подстанции, а первая и вторая группы трехфазных магнитных ключей работают со взаимным перераспределением подмагничивающего действия для одновременного увеличения сопротивления одной группы и соответствующего уменьшения сопротивления другой группы.

Известное устройство обеспечивает стабилизацию напряжения в тяговой сети и за счет этого повышает скорости грузовых и пассажирских перевозок. Однако оно не компенсирует мощность искажения и реактивную мощность сети переменного тока, усложняет конструкцию главного трансформатора и приводит к существенному увеличению стоимости преобразовательного агрегата при небольшом эффекте от экономии электроэнергии. Эти недостатки не позволяют обеспечить нормативный срок окупаемости и, при всех достоинствах по эксплуатационной надежности, указывают на низкую экономическую эффективность.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для компенсации реактивной мощности и отклонений напряжения тяговой подстанции, вторичная обмотка главного трансформатора которой через выпрямитель и токоограничивающий реактор подключена к тяговой сети, а его первичная обмотка через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора подсоединена к питающей сети (RU 2159459 C1, 7 G05F 1/24 от 20.11.00), в то время как вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора через преобразователь фазы со звеном постоянного тока (UA 28219 A, 6 H02M 5/16, от 16.10.00) подключена к нагрузке, а синхронизированная с сетью система управления инвертором напряжения подключена к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки.

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести то, что в нем отсутствует компенсация мощности искажения, созданной выпрямителем и не обеспечивается полная компенсация реактивной мощности питающей сети. Кроме этого, наличие в устройстве реверсивного выпрямителя с системой раздельного согласованного управления и инвертора напряжения с искусственной коммутацией указывает на относительную сложность устройства, которая применительно к системам энергоснабжения электрофицированного транспорта может оказаться решающей при оценке надежности транспортных систем, предназначенных для перевозки людей. Эти обстоятельства указывают на низкую энергетическую эффективность и сложность прототипа.

Задачей изобретения является повышение энергетических показателей и упрощение устройства.

В результате решения поставленной задачи улучшается форма токов в первичных и вторичных цепях тяговой подстанции и, как следствие, повышаются коэффициенты мощности и полезного действия системы энергоснабжения.

Перенаправление регулирования фазы инвертора напряжения в сторону отставания относительно синхронизирующего напряжения позволяет создать опережающий (емкостный) ток и условия для естественной коммутации тиристоров инвертора напряжения, а его питание непосредственно от контактной (тяговой) сети позволяет исключить реверсивный выпрямитель с системой раздельного управления и повысить надежность энергосберегающей системы питания электрофицированного транспорта.

Решение поставленной задачи достигается тем, что входы как индуктивно-емкостного фильтра, так и датчика отклонения напряжения подключены к тяговой сети, при этом к входу выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи, инвертор напряжения выполнен с естественной коммутацией, а его система управления выполнена по 180-градусному алгоритму с возможностью регулирования фазы выходного напряжения инвертора в сторону отставания относительно синхронизирующего напряжения.

На фиг.1 представлена схема устройства, а на фиг.2 - векторная диаграмма, поясняющая его принцип действия.

Устройство для компенсации неактивной составляющей мощности и отклонений напряжения тяговой подстанции (фиг.1) содержит питающую сеть 1, тяговую сеть 2, главный и вольтодобавочный трансформаторы 3 и 4, выпрямитель 5, токоограничивающий реактор 6, индуктивно-емкостный фильтр 7, инвертор напряжения 8 с системой управления 9, датчик отклонения напряжения 10, фильтро-компенсирующие цепи 11.

На фиг.2 введены следующие обозначения: - напряжение питающей сети и добавочное напряжение; и - напряжения и токи первичной и вторичной обмоток главного трансформатора; - токи выпрямителя и фильтро-компенсирующих цепей.

Элементы устройства соединены следующим образом. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 4 включена пофазно-последовательно в цепь первичной или вторичной обмотки главного трансформатора 3, которые предназначены соответственно для подключения к питающей сети 1 и входу выпрямителя 5, к которому также подключены фильтрокомпенсирующие цепи 11, а вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 4 подключена к выходу инвертора напряжения 8, вход которого через индуктивно-емкостный фильтр 7, а также выход выпрямителя 5 через токоограничивающий реактор 6 подключены к тяговой сети 2, к которой подключен также вход датчика отклонения напряжения 10. Система управления 9 инвертором напряжения 8 синхронизирована с напряжением первичной или вторичной цепи тяговой подстанции и ее управляющий вход подключен к выходу датчика отклонения напряжения 10.

Устройство (фиг.1) согласно предлагаемому изобретению работает следующим образом.

Для повышения коэффициента мощности питающей сети 1 и коэффициентов полезного действия главного и вольтодобавочного трансформаторов 3 и 4 в устройстве используются фильтрокомпенсирующие цепи 11, которые предотвращают генерацию выпрямителем 5 пятой и седьмой гармоник тока в первичные и вторичные цепи трансформаторного оборудования подстанции и на основной частоте создают емкостную составляющую тока во вторичной цепи главного трансформатора 3, которая обуславливает емкостный характер тока питающей сети 1.

Для компенсации опережающей фазы входного тока подстанции, а также для стабилизации напряжения тяговой сети 2 в первичную цепь главного трансформатора 3 вводится добавочное напряжение, которое при помощи инвертора напряжения 8 регулируется по фазе в сторону отставания относительно напряжения питающей сети 1.

Из векторной диаграммы (фиг.2) видно, что при отстающем формировании и регулировании добавочного напряжения выходной ток инвертора напряжения 8 опережает его выходное напряжение, создавая условия для коммутации тиристоров за счет естественных свойств схемы. Это свойство предлагаемого технического решения позволяет выполнить инвертор напряжения 8 на однооперационных тиристорах с естественной коммутацией и предопределяет высокую надежность устройства и простоту его реализации.

Стабилизируемое напряжение тяговой сети

где и - напряжение питающей сети и его отклонение; - ток первичной цепи тяговой подстанции; k_ГТ, k_ВT - коэффициенты трансформации главного и вольтодобавочного трансформаторов с суммарным сопротивлением короткого замыкания Z_K=Z_KГ+Z_KВ; α - угол управления инвертором напряжения.

В пренебрежении током намагничивания главного трансформатора, ток первичной цепи подстанции связан с током тяговой сети I_d0 выражением:

где θ - опережающая фаза приведенного тока вторичной цепи .

На основании выражений (1) и (2) получим:

Из выражения (3) и векторной диаграммы (фиг.2) видно, что при изменении напряжения питающей сети 1 и тока тяговой нагрузки I_d0 стабилизацию среднего значения выпрямленного напряжения U_d0 тяговой сети 2 производят регулированием фазы α добавочного напряжения в области 90 град. относительно напряжения питающей сети 1 при помощи инвертора напряжения 8. При таком регулировании и соответствующем коэффициенте трансформации k_ВТ вольтодобавочного трансформатора 4 векторы токов и напряжений соответствующих фаз питающей сети 1 совпадают по фазе и это условие полной компенсации реактивной мощности тяговой подстанции практически сохраняется вследствие того, что θ≈const при изменении α в диапазоне от 60 до 105 град. (фиг.2) в процессе стабилизации напряжения тяговой сети 2.

Областью применения предлагаемого устройства являются тяговые подстанции магистрального, городского и промышленного электрофицированного транспорта.

Устройство для компенсации неактивной составляющей мощности и отклонений напряжения тяговой подстанции, содержащее вольтодобавочный трансформатор, первичная обмотка которого включена в цепь первичной или в цепь вторичной обмотки главного трансформатора тяговой подстанции, а вторичная обмотка соединена в звезду и подключена к выходу инвертора напряжения, вход которого подключен к выходу индуктивно-емкостного фильтра, причем входные зажимы тяговой подстанции подключены к питающей сети, а выходные зажимы - как к потребителям собственных нужд, так и через выпрямитель и токоограничивающий реактор - к тяговой сети, синхронизирующий вход системы управления инвертором напряжения подключен к первичной или вторичной цепи тяговой подстанции, а управляющий ее вход - к выходу датчика отклонения напряжения, отличающееся тем, что входы как индуктивно-емкостного фильтра, так и датчика отклонения напряжения подключены к тяговой сети, при этом к входу выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи, инвертор напряжения выполнен с естественной коммутацией, а его система управления выполнена по 180-градусному алгоритму с возможностью регулирования фазы выходного напряжения инвертора в сторону отставания относительно синхронизирующего напряжения.