Преобразовательное и криогенное оборудрвание и его влияние на технико-экономические характеристики ЛТЭП

Из изложенного ранее следует, что основным узлом системы электроснабжения является преобразователь энергии, в частности тиристорный преобразователь частоты и числа фаз (ТПЧФ) или просто ТГ1Ч.

Наиболее перспективными схемами ТПЧ при электроснабжении от сети постоянного тока являются [32]: 1) входной фильтр — импульсный регулятор напряжения (ИРН)-переключатель фаз; 2) входной фильтр — автономный инвертор с широтно-импульсным регулированием.

Первый вариант (ТПЧ1) состоит из двух переключателей фаз, обратного диодного моста, двух двухфазных ИРН, содержащих рабочие и зарядные тиристоры, обратные диоды, коммутирующие конденсаторы и реакторы, подзарядные реакторы, фильтровой реактор и конденсатор.

Переключатели фаз предназначены для формирования кривой выходного напряжения. Обратный диодный мост необходим для протекания тормозного и реактивного токов. ИРН обеспечивают запирание тиристоров переключателей и совместно с ними регулируют длительности импульсов и пауз. Совместная работа ИРН и переключателей фаз обеспечивает регулирование выходного напряжения на интервале перезаряда коммутирующего конденсатора, что позволяет плавно регулировать выходное напряжение от нуля до номинального.

Зарядные тиристоры предназначены для поддержания необходимого уровня электроэнергии на коммутирующих конденсаторах в режимах, близких к холостому ходу, и тормозном. ТПЧ1 допускает различные алгоритмы управления. Наиболее простым является алгоритм при симметричной работе коммутирующих конденсаторов. В этом случае обеспечивается плавное регулирование выходного напряжения иф от нуля до наибольшего и независимость его формы от характера нагрузки. Данный закон управления характеризуется тем, что как отключение нагрузки от источника электроснабжения, так и окончание паузы (включение) всегда обеспечивается попарным чередованием этих операций рабочими тиристорами. Переключатели фаз работают поочередно, следовательно, схемное время включения тиристоров ^вкл составляет не менее периода несущей частоты, что дает возможность даже при 1200 Гц иметь Дкл>825 мкс и использовать в нем тиристоры с высокими скоростями нарастания токов и напряжений при относительно большом их паспортном времени отключения.

Автономный инвертор (АИ) с внутренним регулированием напряжения (вариант 2 — ТПЧ2) состоит из главного тирис торного моста, тиристоры которого проводят активный ток ЛТЭД в режиме тяги и реактивный — в режиме торможения, а в режиме холостого хода обеспечивают заряд коммутирующих конденсаторов совместно с коммутирующими тиристорами. Обратные диоды проводят реактивный ток ЛТЭД в режиме тяги и активный в режиме торможения. Кроме того, совместно с коммутирующими конденсаторами и дросселями они образуют колебательный контур для коммутации тока главных тиристоров. Коммутирующие тиристоры создают цепь колебательного контура для включения главных тиристоров. Конденсатор фильтра ограничивает пульсации напряжения на входе инвертора, а также совместно с входным дросселем ограничивает пульсации входного тока. Кроме того, совместно с анодными и катодными дросселями образует колебательный контур для бесконтактного включения инвертора и дополнительно обеспечивает равномерное распределение тока разряда конденсатора фильтра между тремя фазами А, В, С. Коммутирующие конденсаторы совместно с коммутирующими, анодными и катодными дросселями образуют колебательный контур для включения главных тиристоров. Коммутирующие дроссели дополнительно уменьшают прямое анодное напряжение, приложенное к плечу главных тиристоров во время коммутации (к ним приложена часть напряжения коммутирующего конденсатора).

Инвертор работает в режиме внутреннего регулирования напряжения методом прямоугольной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и в режиме 180° управления тиристоров при нерегулируемом выходном напряжении (экономичный режим работы). Выходная частота инвертора регулируется изменением периода следования импульсов управления главными и коммутирующими тиристорами. Регулирование его выходного напряжения достигается двусторонним изменением фазового сдвига между импульсами управления главными и коммутирующими тиристорами. При этом изменяется коэффициент заполнения кривой выходного напряжения.

Схема автономного инвертора позволяет осуществить бесконтактное включение путем:

предварительного заряда коммутирующих конденсаторов фаз А, В, С от входного напряжения методом поочередного включения одиночными импульсами управления соответствующих главных и коммутирующих тиристоров;

включение импульсов управления в фиксированный момент времени по диаграмме управления; зоны регулирования, зонные и режимные переходы. Для сохранения качества выходного напряжения на достаточном уровне диапазон регулирования частоты разбит на четыре зоны, границы между которыми фиксированы по выходной частоте инвертора.

Каждой зоне регулирования соответствует определенная кратность К — число пауз в кривой фазного напряжения за период. При разбивке по зонам границы между ними выбраны так, чтобы наибольшая частота коммутирующего конденсатора в каждой из них была примерно одинаковой. Зонные переходы при повышении выходной частоты инвертора соответствуют прямому зонному переходу (ПЗП), при уменьшении выходной частоты — обратному зонному переходу (ОЗП). Переход от режима работы ШИМ к режиму 180° управления соответствует прямому режимному переходу (ПРП), обратный — переход — обратному режимному переходу (ОРП). Прямой режимный переход выполняется при достижении наибольшего коэффициента заполнения (при максимальном выходном напряжении инвертора в режиме ШИМ).

При электроснабжении от однофазной сети переменного тока промышленной частоты наиболее целесообразно применить ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. В этом преобразователе переменное напряжение сети через согласующий трансформатор СТр подается на управляемый выпрямитель с инверторным режимом, выходное напряжение которого фильтруется Ь-С фильтром и подается на вход инвертора. В этой системе функции регулирования частоты выходного напряжения осуществляет инвертор, а напряжения — выпрямитель. Возможность независимого регулирования частоты и напряжения обеспечивает практически любые законы регулирования. При этом искажение формы кривой выходного напряжения от синусоидальной приводит к незначительному ухудшению характеристик ЛТЭД.

Недостатком ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока является двойное преобразование электроэнергии, что приводит к уменьшению КПД системы, а достоинством — наличие, как правило, накопителей электрической энергии в виде индуктивностей и емкостей, что позволяет улучшить условия работы ЛТЭД и одновременно разделить контуры цепи питания и нагрузки, в результате чего между ними уменьшается циркуляция реактивной мощности.

Известны многочисленные варианты построения главных цепей трехфазных тиристорных инверторов, предназначенных для управления приводом с ЛТЭД. Однако несмотря на большое разнообразие этих схем, отличающихся, прежде всего, способом выключения тиристоров, наибольшее распространение получили трехфазные АИН, имеющие одну и ту же обобщенную структурную схему силовых цепей. Здесь трехфазный мост инвертора состоит из шести управляемых идентичных блоков, обладающих двусторонней проводимостью и содержащих в общем случае один или несколько полупроводниковых элементов. В реальных схемах прямая проводимость блока обеспечивается управляе мым вентилем (тиристором), а обратная — диодом, шунтирующим тиристор. Преобразование постоянного напряжения на входе инвертора ?/<г в трехфазное переменное напряжение необходимой частоты на выходе осуществляется переключением главных тиристоров в определенной последовательности и с заданной частотой. Предпочтительнее иметь длительность проводящего состояния главных тиристоров инвертора ~я. В этом случае с изменением частоты работы инвертора форма кривой выходного напряжения и его гармонический состав не меняются. Главные тиристоры АИН переключаются вспомогательными коммутирующими тиристорами, подключающими к главному тиристору силовой цепи коммутирующий контур, что обеспечивает перевод тока с главного тиристора на вспомогательный и на диоды обратного моста.

В реальных условиях.неизбежны потери активной мощности в различных элементах выпрямителя. Поэтому одним из наиболее важных показателей работы выпрямителя в целях более полного отражения его энергетических показателей является коэффициент мощности, который определяет степень использования электроэнергии источника электроснабжения.

Радикального увеличения энергетических показателей можно достичь, если в трехфазном выпрямителе применить устройство искусственной коммутации, состоящей из индуктивности и емкости и позволяющей при наличии дополнительных коммутирующих вентилей контролировать не только моменты включения силовых вентилей мостового выпрямителя, но и их выключения. Это позволяет полностью устранить фазовый сдвиг между током и напряжением в сети во всем диапазоне регулирования выходного напряжения, так как вентили, присоединенные в какой-либо фазе, регулируются независимо от вентилей других фаз. Принцип работы схемы не изменяется во всем диапазоне регулирования. Интегральное значение коэффициента мощности при данном импульсном способе регулирования достигает 0,7758, что по сравнению с обычным симметричным регулированием дает среднее повышение анализируемого показателя порядка 30%. Причем особо велико его значение во второй области регулирования (0,955). Однако подобное улучшение энергетических показателей работы преобразовательной установки связано и с увеличением ее массовых и габаритных показателей, что вызвано необходимостью применения дополнительного оборудования для контура принудительной коммутации.

Преобразовательная техника ЛТЭП БЭПС должна оцениваться как по эффективности функционирования, так и по массогабаритным показателям. Наилучшим его вариантом должен считаться тот, который обеспечивает минимум годовых приведенных затрат;

остоящих из суммы годовых эксплуатационных повариантных исходов С и нормативной прибыли от капитальных вложений (ЕнК) [19, 22]. Выполнимость условия (4.23) достигается совершенствованием как элементной базы преобразовательного оборудования, так и его схемных решений.

Снижение массовых показателей возможно путем снижения удельных массовых показателей силовых полупроводниковых приборов (СПП) за счет применения более легких конструктивных и изоляционных материалов, разработки новых типов малогабаритных фильтровых и демпфирующих конденсаторов, использования СПП на большие токи и напряжения. Увеличение предельного тока СПП тесно связано с разработкой эффективного охлаждения, что позволит значительно снизить их массу.

Из опыта создания традиционного железнодорожного эле-ктроподвижного состава следует, что около 60% всей массы преобразователей составляют реактивные элементы схемы, коммутирующие и фильтровые конденсаторы и дроссели. Разработка отечественных коммутирующих конденсаторов на полипропиленовой основе с удельной мощностью около 20 кВ-А/кг, фильтровых на лавсановой основе с удельной емкостью около 35 мкФ/кг позволило значительно снизить этот показатель. Применение коммутирующих конденсаторов типа ПЖ-2-0,5-10 У2; ПЖ-1-2-5,3 У2 и фильтровых типа ФЖ-1, 65-300 У2 снижает их массу до 25% [32].

Предпочтительность применения автономного инвертора, особенно когда ЛТЭД имеет Р>2 МВт, определяется его довольно хорошими динамическими свойствами, жесткой внешней характеристикой, исключением двойного преобразования электроэнергии, некритичностью к изменению cos ср нагрузки, незначительностью в ЛТЭД потерь и колебательных моментов.

АИН или АИТ целесообразно выбирать с учетом особенностей ЛТЭД ОЛАТЭД, ОЛИТЭД, ОЛСТЭДФ или ОЛСТЭД со СПОВ. Согласно опытным данным АИН для ОЛАТЭД по массогабаритным показателям, возможности управляемого обмена реактивной энергией и регулирования частоты в широком диапазоне не уступают АИТ, а по КПД и потерям от высших гармоник его превосходят. В случае ЛСТЭД с наземным расположением ТПЧ, состоящего из управляемого выпрямителя и АИН с импульсным регулированием, наиболее радикально решается проблема повышения коэффициента мощности ТПЧ и практически устраняется их отрицательное влияние на сеть. Поэтому рационально применение АИН как для электроснабжения ЛАТЭД, так и ЛСТЭД.

Известно множество схемных решений АИН, но принципиальным их различием является способ регулирования напряжения: регулирование в самом инверторе — внутреннее; регулирование в промежуточном звене постоянного тока. Для сравнительного анализа могут быть выбраны два схемных решения АИН с отделенными от нагрузки конденсаторами: АИН с по-фазной коммутацией и внутренним регулированием напряжения- АИН 1 (рис. 4.19, а); ИРН и переключатель фаз без собственных узлов коммутации — АИН 2 (рис. 4.19, б).

Рис. 4.19. Электрическая схема АИН: а- с внутренним регулированием напряжения (АИН 1); б — состоящего нз ИРН(К) и переключателя фаз В

Применение ШИР выходного напряжения на несущей час? тоте обеспечивает минимум массы преобразовательного электрооборудования и потерь в нем, а также хорошее использование источника электроснабжения по напряжению. ШИР может быть обеспечено АИН с индивидуальными коммутирующими устройствами ИКУ, групповыми ГКУ или фазными ФК.У- Последний

4.2. Технико-экономические показатели системы электропитания экипажей БЭПС, оборудованных различными ЛТЭД 1

олл

гэд

1 олитэд

Варианты СЭП по рисункам

о

лстэд

Параметры

4.14, а

4.14 б

4.15, а

4.15, б

4.14, а

4.14 б

4.15, а

4.16, а

4.16, 6

Я»,с, кВ

10

10

6,5

6,5

10

10

6,5

6,5

6,5*

/к.с, кА

5,6

5,1

6,0

8,7

4,2

3,4

2,9

4,3

/Яп.о.ээ Т

10,6

9,2

5,2

13,0

11,2

9,3

5,4

17,4

16,8

?ц.о.п»

тыс. руб.

115,7

108,0

11,2

28,0

117,0

101,6

11,4

28,0

51,6

о ** *->п.о.п »

тыс. руб.

3,8

3,5

0,4

0,9

3,9

3,3

0,4

0,9

2,0 —

О **

<-»э.н »

тыс. руб.

23,0

46,0

157,5

137,0

21,0

50,8

147,3

124,5

1000-300

2 3* тыс. руб.

26,8

49,5

157,9

138,0

24,9

54,1

147,7

125,4

1000-300

Яр**, тыс. руб.

22,4

89,6

22,4

89,6

23 — Л**, тыс. руб.

26,8

27,1

68,3

138,0

24,9

31,7

58,1

125,4

1000-300***

* Напряжение ЛСТЭД.

** Затраты за годовой пробег в км.

*** Диапазон изменения затрат при длине секции ЛСТЭД 0,5- 2,5 км; ^ср.з = 40 км и 1 = 2 А/мм2.

1 По ценам, действующим в 1990 г.

вариант целесообразно использовать в сочетании с контактной сетью постоянного тока.

Сравнение схем АИН 1 и АИН 2 показывает, что избыточная энергия, выведенная из коммутационного узла, может быть использована для питания потребителей собственных нужд экипажа. Отбор ее может достигать 5-8% мощности на входе, что достаточно для указанных целей. Усложнение схемы преобразователя компенсируется экономией 250-300 кВт электроэнергии, устранением из схемы ТПЧ (АИН, трансформатор, выпрямитель) для питания ПСН, в том числе и ЭМП направлением. Качество электроэнергии, полученной из контура отбора, и дополнительных преобразователей при этом сравнимо. Данная схема АИН позволяет реализовать любые алгоритмы управления ЛТЭД в широком диапазоне изменения cos ф нагрузки.

Данные работ [21, 84] позволяют сделать выводы о том, что схемное решение АИН 2, состоящее из импульсного регулятора и переключателя фаз, по диапазону регулирования напряжения, массогабаритным и энергетическим показателям, условиям вывода избыточной энергии из контура коммутации во всех режимах работы БЭПС превосходит классическое решение АИН 1.

Сопоставление систем электропитания (СЭП) по схемам, представленным на рис. 4.14-4.16, применительно к ОЛАТЭД, ОЛИТЭД и ОЛСТЭД позволяет оценить их технико-экономические показатели для БЭПС с сопоставимыми параметрами и условиями работы [21, 22, 78, 84]. Результаты такого анализа приведены в табл. 4.2. Из данных табл. 4.2 видно, что наиболее экономичной является СЭП по рис. 4.14, а, когда статический преобразователь частоты расположен на экипаже, оборудованном ОЛИТЭД.

В табл. 4.2 приняты следующие обозначения: Нк.с, /к.с — напряжение и ток в контактной сети; тп.о.э — масса преобразовательного оборудования экипажа; С„.о.п — капитальные вложения в преобразовательное оборудование поезда; Зп.о.п — годовые приведенные затраты, обусловленные преобразовательным оборудованием поезда; Зэ.н — нормативная прибыль от капитальных вложений; 23 -Зп.о.п + Зз.н1 Пр — прибыль от дополнительных посадочных пассажирских мест [19, 83].

В варианте СЭП с распределительной сетью (РЭС) переменного тока (см. рис. 4.16, а) ток секций якорной обмотки ЛСТЭД подается через выключатели, сгруппированные попарно (для одного пути) для смежных секций в посты коммутации, которые подключают секцию к РЭС. Возможна передача электроэнергии непосредственно от РЭС к секциям якорной обмотки ЛСТЭД. На строительство такой системы потребуются большие капитальные затраты, так как на каждую секцию ЛСТЭД необходима своя тяговая подстанция или пункт электроснабжения. Однако отсутствие потерь в сети, которые в первой системе из-за относительно низкого уровня напряжения при большой передаваемой мощности могут быть значительными, делает указанную систему экономически целесообразной. В варианте распределительной сети постоянного тока на тяговой подстанции напряжение выпрямляется до определенной величины, через распределительную сеть переменного тока и через СПЧ с ШИМ подается на секции якорной обмотки. СПЧ и ШИМ выполняют роль коммутационных постов (см. рис. 4.16, б).

Приведенные затраты преобразовательного оборудования экипажа просчитаны аналогичным образом. Для электроснабжения преобразовательного оборудования электромагнитов других ПСН на экипаже необходим автономный источник тока. Для вариантов по рис. 4.16, а затраты примерно одинаковы. Затраты на оборудование пунктов питания достигают 80-50% общих затрат.

На основе изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Нецелесообразно применение аккумуляторной батареи (АБ) и АИП в качестве основного источника электроэнергии

Рис. 4.20. Системы охлаждения СПЭМ и основные зависимости рефрижераторных установок:

а — общий вид СК.Т (Ь-1); б — схема бортовой рефрижераторной установки; в -зависимости массы и объема рефрижераторных установок от их холодопронззодительностн; 1 — наружная вакуумная оболочка; 2, 3 — суперизолиция; 4, 5 — защитный экран; 6 — опорный суппорт; 7 — соединительный выступ; 8 — контейнер жидкого гелии; 9 — сверхпроводящие направлшощая и тиговая катушки; 10- сверхпроводящая катушка подвеса; 11 — компрессор; 12 и 13, 16 — теплообменники; 14 — вентиль Джоуля — Томпсона; 15 — сосуд для жидкого гелия; 17 — криостат; 18 — обмотка магнита; 19 — термостат; 20 — декомпрессионный вентиль; 21 — радиационный экран; 22 — к ожижителю гелия; 23, 24 — зависимость трр) соответственно легких и стационарных; 25, 26 — то

Ж« ур(^р>

для электромагнитов (ЭМ) (вариант 3, 9), а также сети переменного тока с расположением ТПЧ на экипаже.

2. Для сети переменного тока с преобразователями на подстанции предпочтительна дополнительная контактная сеть.

3. Электроснабжение электромагнитов от АБ в период запуска и разгона экипажа сводит к минимуму выигрыш в массе его преобразовательного оборудования за счет выноса СПЧ для ЛТЭД на подстанцию из-за увеличения массы АБ.

4. Суммарные приведенные затраты СЭП БЭПС и системы электроснабжения на постоянном токе и при размещении ТПЧ

на экипаже (варианты 2, 4) в 3-5 раз ниже, чем на переменном токе. Однако массовые показатели СЭП экипажа с ТПЧ на подстанции в вариантах 7, 8, 2 значительно ниже.

Снижение стоимости ЛТЭП, массы и объема электрооборудования должно достигаться и существенным уменьшением массы основной элементной базы [до 0,7-0,8 кг/(кВ-А)]. В БЭПС, оборудованном комбинированными системами (ТЛМ) соСПЭМ типа КССТН, эти задачи дополнительно могут быть решены оптимизацией как самих СК.М, так и системы их охлаждения [19, 20, 27, 42, 77]. В последнем случае рефрижераторные установки (рис. 4.20, б) могут устанавливаться или на экипаже, или на подстанциях. При бортовом их расположении необходимо анализировать варианты с одним рефрижератором из СПЭМ, на группу СПЭМ и на весь экипаж. При этом бортовые установки должны иметь наименьшую массу (рис. 4.20, в). Уже в самом начале работ по созданию БЭПС, когда промышленные рефрижераторные установки имели колоссальную массу, исчисляемую сотнями килограммов, была создана транспортная рефрижераторная установка на экипаже грузоподъемностью 40 т (по данным Японской печати) с массой, равной лишь 136 кг. Однако революционные результаты в этом направлении могут быть достигнуты при широком промышленном освоении высокотемпературных сверхпроводников (92-ТК и выше), для которых достаточно дешевого и надежного азотного охлаждения.

Во всех случаях уменьшение транспортной массы относительно базового варианта целесообразно переводить в эквивалентное увеличение посадочных мест для пассажиров [19, 22, 84]. Прибыль от этого может быть значительной. Комплексный поиск повышения вместимости может дать очень высокую результативность. Например, в поезде БЭПС из десяти экипажей,, оборудованном ЛТЭП с различными ЛТЭД и расположением СПЧ, номинальная вместимость, равная 750 пассажирам, может быть доведена до 1224 пассажиров [19].

Глава 5

Особенности электроснабжения БЭПС | Транспорт с магнитным подвесом | Условия и устройства для получения электромеханических характеристик ЛТЭП с ЛАТЭД

Добавить комментарий