Особенности электроснабжения БЭПС

Системы электроснабжения (СЭП) могут быть классифицированы по ряду признаков: по роду тока тяговой сети постоянного и переменного тока (см. рис. 4.1); по месту размещения устройств регулирования скорости БЭПС: на подстанции с передачей тока регулируемой частоты и напряжения в тяговую сеть или у секции индукторных обмоток ЛТЭД; комбинированные (см. рис. 4.1, в); по месту расположения и видам преобразователей.

В основу классификации СЭП по преобразователям положены: род тока в контактной сети - постоянный, переменный (однофазный и трехфазный промышленной и повышенной частоты); наличие промежуточного звена преобразования энергии; вид преобразователя частоты - автономный инвертор или непосредственный преобразователь частоты (НПЧ).

Согласно этой классификации при питании от сети постоянного тока могут быть применены автономный инвертор и НПЧ. В первом случае система может быть заполнена без промежуточного звена преобразования электроэнергии, во втором - обязательно наличие промежуточного преобразователя.

В случае электроснабжения от сети переменного тока промышленной частоты возможеео применение преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Из рис. 4.1, а следует, что варианты блок-схемы /-5 предназначены для сети постоянного тока, 6 и 7 - для однофазной и трехфазной сети переменного тока с =50 Гц, 5 и 9 - для сети переменного тока повышенной При этом блок-схемы 1-9 СЭП ЛТЭП с обмотками, расположены на БЭПС [8]. Блок-схемы 10-13 (рис. 4.1, б) характеризуют достаточно перспективные СЭП ЛТЭП на базе ЛСТЭД со СЛОВ и активной путевой структурой.

Напряжение на ЛАТЭД поезда /7П при /1=/),, зависит от силы тяги или от профиля трассы:

Каждому типовому профилю трассы должен соответствовать свой уровень напряжения на двигателе ?/„i=const.

Напряжение питающей линии подстанции применительно к СЭП постоянного тока с «разнесенными» преобразователями

Uq~ Uni -f-a.U x,

где AUx - падение напряжения от пункта питания до поезда; Um - подведенное к токоприемнику напряжение ЛТЭД поезда.

Поскольку принят закон t/=const, a AUx меняется в зависимости от месторасположения поезда на питаемой зоне в пределах 0^A[7?<At/max, то напряжение Uо оказывается переменным и зависит от удаленности 1Х поезда от подстанции. Расстояние между подстанциями для этой системы

^\\ - \

* n/f*к.с где /п1 - сила тока поезда на расчетном профиле i %0; гк.с - удельное сопротивление (на 1 км длины) контактной сети.

Для СЭП переменного тока необходимо определять как расстояние Ln между подстанциями, так и I между пунктами питания. Для трехфазных СЭП переменного тока в контактной сети с преобразователями на тяговой подстанции или на пунктах питания должно осуществляться через несколько пунктов, т. е. распределенно.

Расстояние между

Первоначально число пунктов принимается Кп.п=Ь/1, затем берется Ттах = Т + ЛД а окончательно оно определяется из экономического расчета. В его основе, как правило, должен лежать оптимальный уровень напряжения тяговой сети, обеспечивающий получение наименьших приведенных затрат. Согласно [82] в СЭП переменного тока с ППЛ при двустороннем питании и для системы электроснабжения постоянного тока с преобразователями напряжения (ПН) и частоты (ПЧ) на экипаже

где 7т, 7п.п , 7\ , 7-сопротивления соответственно тяговой подстанции, 1 км ППЛ и контактной сети, также пунктов электроснабжения; /к - сила тока в ППЛ на к-м участке

где иилв - напряжения соответственно холостого хода на выходе тяговой подстанции и на ЛТЭД (основная гармоника); Дэкв и г' - сопротивления соответственно эквивалентные для участков СЭП, примыкающих к рассматриваемой питаемой зоне и 1 км длины КС; р, - коэффициент глубины модуляции тпч поезда; /п с - ток поезда, находящегося в середине питаемой зоны.

При определении и опт может быть использован алгоритм расчета [82], по которому в итоге определяют приведенные затраты на строительство и эксплуатацию СЭП (тыс. руб/год) пепеменного тока

где Кк, Кр.л, Ко, Ки, Кн.т - стоимость коммутирующих устройств и материала распределительной линии постоянного тока, а также в расчете на питаемую зону - обмотки в пути, инверторов и инверторных преобразователей; Сп.0, Сп.Р.л - стоимость потерь в путевой обмотке ЛТЭД и в распределительной сети; Еи- нормативный коэффициент окупаемости.

На основании (4.22) и рис. 4.1, в можно заключить, что: для СЭП трехфазного тока оптимальным уровнем напряжения является 10 кВ, а для постоянного - примерно 50 кВ; при напряжении 6 кВ СЭП постоянного тока имеет приведенные за траты ниже в 2,5 раза, чем СЭП переменного тока; при переходе в СЭП переменного тока с 6 на 10 кВ затраты могут быть снижены в 1,7 раза, а в СЭП постоянного тока при напряжении и = 50 кВ вместо напряжения 6 и 25 кВ стоимость ее понижается лишь соответственно в 1,3 и 1,2 раза.

Необходимость компенсации реактивной мощности, потребляемой ЛСТЭД со сверхпроводящей обмотки возбуждения, целесообразно оценивать на основе исследований по определению влияния длины секции его якорной обмотки на энергетические характеристики (рис. 4.10).

Проблема выбора мощности, способа и места подключения компенсирующих устройств сводится к рассмотрению 72 вариантов [35], получаемых комбинированием размещения конденсаторов в трех основных вариантах (рис. 4.11), варианты 1, 9, 36-без компенсирующих устройств; 2 - без компенсирующих устройств с системой подпитки; 3, 16, 72~-ъ параллельным включением компенсирующих устройств (поперечная компенсация); 4, 5, 6 - с поперечной компенсацией: соответственно компенсированная подпитка и некомпенсированная; 6, 27, 108 - с последовательным включением устройств (продольная компенсация); 7,8 - с продольной компенсацией (соответственно некомпенсированная и компенсированная подпитка).

Варианты 10-/7; /9-26 и 27-35, являющиеся ребрами графа, варианты установки компенсирующих устройств в системе «подстанция - компенсирующее устройство»; 37-44; 73-80; 109-116 - в системе «подстанция - экипаж»; 45, 54, 63, 81, 90, 99, 117, 126, 135-в системе «компенсирующее устройство - экипаж».

Рис. 4.10. Зависимости от 1П.3, затрат и стоимости:

!, 2 и 3 - приведенных соответственно при 1С, равном 20, 15, 10 ч; 4 - стонмостн ДР-' 5, 6 - капитальных вложений К\, Кг; 7, 8 - приведенных соответственно при АС/а.

-=0,15?/н и Аи~0,3ин

Варианты включения и размещения компенсирующих устройств и пример нумерации ветвей графа вариантов размещения

Рис. 4.11. Варианты включения и размещения компенсирующих устройств и пример нумерации ветвей графа вариантов размещения

Технико-экономический анализ всех вариантов установки компенсирующих устройств в СЭП должен быть обязательным прежде всего для многоэкипажного БЭПС (рис. 4.11-4.13).

Из рис. 4.12 видно, что при продольной компенсации целесообразна установка всех конденсаторов на подстанции, а не вдоль контактной сети, поскольку последнее обусловливает большую установленную мощность конденсаторной батареи и связано с применением большого числа компенсирующих устройств.

Из сравнения продольной и поперечной компенсации следу-

Тяговая сеть постоянного тока

Рис. 4.14. Тяговая сеть постоянного тока:

а - с расположением статического преобразователя частоты 1)2 для питания ЛТЭД на подстанции с подключением канала питания электромагнитов УА к тяговой сети; б - с расположением СПЧ (И2) на экипаже и с питанием электромагнитов УА от дополнительной контактной сети; М - линейный двигатель; 2 - фильтр: Ш - выпря митель; И2 - автономный инвертор напряжения; Тр - трансформатор; О - аккумуля-тррная батарея; К - импульсный регулятор; 1 - вывод на собственные нужды ет, что компенсирующие устройства последней будут иметь емкость примерно ка порядок меньше емкости устройства первой, а мощность - на порядок выше. При этом установка устройств поперечной компенсации на БЭПС дает преимущество в виде исключения дополнительных потерь мощности и энергии от пере-компенсации (рис. 4.13). На основе изложенного наиболее предпочтительным являются варианты с установкой части конденсаторной батареи на БЭПС (поперечная компенсация), а оставшихся- на подстанции (продольная компенсация) в комбинации с системой подпитки. Для обоснованного выбора мощности, размещения и способа регулирования установок необходимо знать нагрузочные характеристики по мощности и току ЛТЭД БЭПС за время хода по расчетному участку, параметры компенсирующих устройств, а также показатели качества электроэнергии, прежде всего гармонический состав кривых тока и напряжения в сети с конденсаторами.

Для СЭП БЭПС с ОЛАТЭД и ОЛИТЭД с пассивной путевой структурой наиболее выгодными по приведённым затратам ее варианты, представленные па рис. 4.14 и рис. 4.15 [21, 24, 32, 75, 82-84].

Структурная и принципиальная схемы СЭП ОЛСТЭД со СПОВ и якорной обмоткой, уложенной в пути, приведены на рис. 4.9 и рис. 4.16.

Основные требования к СПБУ состоят в необходимости обеспечения потребителей собственных нужд (ПСН) электроэнергией заданного качества при использовании минимума массы и объема оборудования из-за ограниченных возможностей в размещении его на экипаже.

Тяговая сеть переменного тока с СПЧ

Рис. 4.15. Тяговая сеть переменного тока с СПЧ: а- на подстанции и с электроснабжением электромагнита от дополнительной контактной сети; б - на экипаже н с электроснабжением электромагнита от тяговой сети; ?7 - управляемый выпрямитель (остальные обозначения см. на рис. 4.14)

Схема СПБУ обособленного экипажа ЭМП и ОЛАТЭД приведена на рис. 4.17, а, а для БЭПС с ОЛСТЭД - на рис. 4.17,6 [82]. От любого источника энергия поступает на распределительные устройства 8 и 9 (рис. 4.17, а), из которых 8 обеспечивает питание электромагнита магнитного подвеса, а 9 - все остальное электрооборудование собственных нужд экипажа. При электроснабжении от источника 1 между ним и РУ 8 и 9 необходим согласующий блок 5, 6 - трехфазный, выполняющий функции стабилизатора напряжения. При электроснабжении от источника 2 отбор мощности для СПБУ и подача ее по блоку 5 производится через ПУ для ЛАТЭД. Источники 3 и 4 сами обеспечивают необходимое количество энергии и непосредственно подают ее на распределительные устройства 8 и 9. Резервный блок 7 предназначен для электроснабжения ЭМП и направления движения, осуществляемого через РУ8, широтно-импульсный ПН 10 (или УП 14 и инвертор напряжения 11) и усилитель мощности 16.

Структурная схема СЭП экипажа с ОЛСТЭД со СПОВ

Рис. 4.16. Структурная схема СЭП экипажа с ОЛСТЭД со СПОВ:

а - постоянного тока; б - переменного; 1)2 - компенсирующее устройство; ИЗ - инвертор

От РУ 9 энергия поступает на все остальные ПСН экипажа. Непосредственно к шинам 9 подключены системы электрического отопления и электрокалориферы 12. Через трехфазный инвертор напряжения 13 и распределительное устройство трехфазного тока 15 получают питание нагрузки электрического привода, в том числе компрессор системы кондиционирования 17, двигатель-вентилятор 18 для охлаждения ЛАТЭД, а также системы управления движением 23, рабочего 20 и аварийного

24 освещений салона. Блоки 23, 24 имеют резервный источник энергии 22, работающий в режиме постоянного подзаряда.

Для согласования уровня рабочего напряжения систем освещения с напряжением распределительного устройства 15 на входе их установлены согласующие трансформаторы 19, 25.

Основная проблема в создании СПБУ заключается в подведении энергии необходимого качества 8, 9. Для этого должны быть соответствующим образом подобраны либо параметры блоков 5 и блока 7 при электроснабжении контактной сети, либо сами источники 3, 4.

Параметры блоков системы ЭМП и направления движения ¦ экипажа 10, 11, 14, 16, 21 в различных условиях эксплуатации используются для разработки согласующих блоков СПБУ 5, 7, или источников 3, 4. Упрощенная схема электроснабжения электромагнитов экипажа приведена на рис. 4.18.

Децентрализованное электроснабжение ПСН каждого экипажа поезда БЭПС по схеме, показанной на рис. 4.17, б, реализуется в нормальном режиме от автономного источника (АИП): основного 1 и дополнительного 2. При аварийном режиме при неисправности АИП какого-либо экипажа электроснабжение его ПСН может осуществляться от исправных АИП соседних экипажей с отключением на период торможения до и = 0 их малоответственных потребителей.

Централизованное электроснабжение ПСН (см. рис. 4.17, в) осуществляется двумя основными источниками 1, расположенными в первом и последнем экипаже, каждый из которых обеспечивает по мощности электроснабжение пяти экипажей. В аварийном режиме при неисправности одного из двух основных источников электроснабжение электромагнита направления (ЭМН) всего БЭПС может производиться от оставшегося исправного источника электроснабжения до момента остановки БЭПС за счет временного отключения малоответственных потребителей собственных нужд.

В нормальном режиме ЭМП каждого экипажа разделены на две группы, получающие независимое электроснабжение от разных источников 1. Для такого электроснабжения ЭМН необходимо иметь две поездные магистрали. При централизованном варианте каждый экипаж имеет дополнительный автономный источник 2.

Высокоэффективной может быть схема СПБУ на основе амплитудно-фазного (плавного межступенчатого) регулирования выходного напряжения, состоящая из регулируемого посредством отпаек трансформатора управляемого выпрямителя и резервного источника тока [84]. Эта схема универсальна по пригодности применения как на переменном, так и на постоянном токе в тяговой сети, поскольку ее вход подключается к шинам ЛАТЭД или ЛИТЭД.

Рис. 4.18. Упрощенные структурные схемы канала электроснабжения электромагнита экипажа с от3 = = 40 т и ОЛАТЭД:

/-9 - номера схем

Способы регулирования скорости, частоты и напряжения | Транспорт с магнитным подвесом | Преобразовательное и криогенное оборудрвание и его влияние на технико-экономические характеристики ЛТЭП