Автоматизация систем электроснабжения. Электроснабжение, защита и автоматика устройств СЦБ. Учебное пособие

ного тока. Для практической реализации требуемого стабилизатора может быть использована одна из структурных схем, приведенных на рис. 4.7, а, б. Здесь ВФ – выпрямитель с фильтром; ИПН – регулируемый импульсный стабилизатор постоянного напряжения; Нерег. инв. – нерегулируемый инвертор; Рег. инв. – регулируемый инвертор; ООС – отрицательная обратная связь, осуществляющая стабилизацию переменного выходного напряжения Uвых≈ стабилизатора.

В этих схемах высокочастотное преобразование осуществляется по цепи постоянного напряжения Uст= , при этом практически использующий-

ся диапазон высоких частот импульсного преобразования лежит в диапазоне fв.ч = 60−120 кГц.

Рис. 4.7. Структурные схемы стабилизаторов напряжения

Получение выходного низкочастотного напряжения Uвых≈ осуществ-

ляется посредством также высокочастотного преобразования, благодаря чему масса и габариты выходных фильтров, формирующих достаточно качественное выходное переменное напряжение fн.ч = 50 Гц с малыми коэффициентами гармоник, оказываются достаточно малыми.

Один из вариантов реализации принципиальной схемы устройств ИПН и Нерег. инв. показан на рис. 4.8.

71

Рис. 4.8. Вариант принципиальной схемы ИПН и Нерег. инв.

4.3. Анализ системных методов повышения надежности электропитания устройств СЦБ

Существующие системы электроснабжения обеспечивают электропитание по двум линиям электропередачи. Первая из них – это основная ВЛ СЦБ, в качестве второй линии применяется резервная ВЛ ПЭС, которая используется также и для электроснабжения бытовых объектов. Резервная ВЛ ПЭС конструктивно располагается или на опорах основной ВЛ СЦБ (при автономной тяге), или на опорах контактной сети (при электротяге). Существующая структурная схема системы электроснабжения сигнальных точек СЦБ приведена на рис. 4.9.

Возможная реализация двух систем электроснабжения устройств СЦБ для электротяги постоянного тока 3 кВ и переменного тока 25 кВ приведена на рис. 4.10 и 4.11 соответственно.

72

Основная ВЛ СЦБ 6 (10) кВ

Резервная ВЛ ПЭС 6 (10) кВ

Рис. 4.9. Структурная схема электроснабжения сигнальных точек СЦБ

73

Рис. 4.10. Структурная схема электроснабжения сигнальной точки СЦБ

сосновным питанием от контактной сети 3 кВ постоянного тока

Всхеме рис. 4.11 в качестве TVосн и TVрез используются трансформаторы ОЛ-1,25/10/6 и 3НОЛ-1,25/27 соответственно. В основном и резервном каналах электроснабжения на переменном токе для стабилизации вы-

ходного напряжения U2 рез могут использоваться блоки БКУ (см. разд. 4.1) или блок БКС (см. раздел 4.2).

U2оcн U2рез

СТ

Рис. 4.11. Структурная схема электроснабжения сигнальной точки СЦБ с резервным питанием от сети 25 кВ переменного тока

Для резервного канала электроснабжения при электротяге на переменном токе блоки БКУ и БКС, возможно, не смогут обеспечить требований ПТЭ по напряжению 198-231 В, так как процентные изменения напряжения в ВЛ ДПР в процессе движения поездов по участку значи-

74

тельно превышают аналогичные изменения в ВЛ СЦБ основного канала. Поэтому разработанный блок БКС должен иметь существенно бóльшие запасы по цепи регулирования (коэффициент усиления САР) при воздействии дестабилизирующих воздействий со стороны напряжения переменного тока в ВЛ ДПР («два провода – рельс»). Однако очевидно, что в целях унификации и снижения стоимости аппаратуры требуется идентичное схемотехническое и конструктивное исполнение блоков БКС. Это определяет необходимость реализации выполнения данного требования при разработке и конструировании аппаратуры БКС.

4.4. Анализ аппаратной реализации импульсных преобразователей постоянного напряжения в переменное

Для схемы электроснабжения (см. рис. 4.10) в основном канале требуется разработка импульсного преобразователя постоянного напряжения в переменное (ИПНП).

Выполним анализ основных параметров сигнальных точек СЦБ и элементной базы подобных преобразователей, которые в значительной степени отличают их от известных устройств силовой электроники и определяют некоторые практические ограничения при разработке схем и конструировании ИПНП. Для этого необходимы данные по энергопотреблению аппаратуры СЦБ. Данные по мощностям, которые потребляют сигнальные точки СЦБ различных видов, приведены в табл. 4.2.

Из табл. 4.2 видно, что за искл ючением устройств автоматической переездной сигнализации с применением довольно мощных УЗП, в состав которых входят стрелочные электроприводы, мощности, потребляемые сигнальными точками, лежат в пределах от 176 до 1030 В А при изменениях cos φ от 0,95 до 0,85 для этих же мощностей соответственно.

Ток, потребляемый сигнальной точкой СЦБ от ВЛ СЦБ с первичным напряжением U 1, находится из следующего выражения:

75

где Sст – мощность, потребляемая сигнальной точкой, определяется из данных табл. 4.2; ηБКУ – КПД дискретного регулятора переменного напряжения; cos φ – определяется из данных табл. 4.2.

Если условно принять, что КПД преобразователя ИПНП ηБКУ ≈ 1, то при напряжении U1 = 3 кВ для мощностей Sст min = 176 В А и Sст max = 1030 В А и cos φ = 0,8, из (4.5) получим, что ток, потребляемый сигнальной точ-

кой СЦБ, лежит в пределах от I1min = 0,073 А и I1max = 0,43 А. Максимальное значение напряжения контактной сети постоянного

тока составляет U1max = 4,0 кВ. При этом, очевидно, что если ИПНП основной системы электроснабжения обладает достаточно высоким КПД, то ве-

личина тока I1min, определенная выше, пропорционально уменьшится и со-

ставит I1min ≈ 0,0374 А.

76

77

Следовательно, исходными данными для разработки ИПНП и выбора параметров силовых полупроводниковых элементов являются экстре-

мальные значения тока I1min = 0,0374 А и напряжения U1max = 4,0 кВ. Обязательное использование в разработках силовых электронных

устройств общепринятого коэффициента нагрузки Кн = 0,7 определяет необходимость применения в рассматриваемом ИПНП транзисторов или тиристоров с максимально допустимым напряжением, прикладываемым к силовым электродам не менее чем 6,71 кВ.

Для снижения напряжения на входе ИПНП возможны два варианта схемотехнических решений.

Наиболее простым из них является использование резистивного резистора, однако он неприменим в данном случае из-за большого диапазона изменений мощности, потребляемой сигнальной точкой СЦБ и появляющейся при этом большой нестабильности напряжения.

Более сложным вариантом является использование делителя напряжения, состоящего из балластного резистора Rб и стабилитрона VDст с напряжением стабилизации Uст, что показано на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Схема снижения напряжения на входе ИПНП при помощи стабилитрона VDст

Здесь в качестве VDст может быть использовано последовательное соединение стабилитронов, если в номенклатуре имеющихся отсутствуют достаточно высоковольтные. Подобное решение позволяет снизить напря-

78

жение, прикладываемое к транзисторам ИПНП, до требуемого значения

Uст = Uкэ max.

Использование подобного метода снижения напряжения определяет увеличение тока, потребляемого ИПНП, по отношению к питанию его непосредственно от напряжения U1. Если принять, что КПД ИПНП равен

η ≈ 1, то ток, потребляемый ИПНП, определится: IИПНП = P2 , где Р2 – вы-

Uст

ходная мощность ИПНП, равная мощности, потребляемой сигнальной точкой СЦБ. Следовательно, использование способа снижения напряжения при помощи стабилитрона приводит к увеличению мощности, потребляемой установкой электроснабжения от контактной сети 3 кВ, которая несоизмеримо мала по сравнению с мощностью электротяги. Однако увеличение тока обусловливает увеличение мощности Рб, рассеиваемой резистором Rб, и появление мощности Рст, рассеиваемой стабилитроном VDст.

Нерациональность использования рассматриваемого технического решения вызывает необходимость разработки иных схем подключения ИПНП к контактной сети постоянного тока.

Схемы, пригодные для данного случая, распространены в меньшей степени. Они, например, могут быть основаны на применении каскадного последовательного включения нескольких импульсных преобразователей с первичной стороны и последующего сложения их выходных мощностей для достижения требуемого значения суммарной выходной мощности. Структурная схема подобного каскадного включения ИПНП приведена на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Схема каскадного включения ИПНП

79

4.5. Использование аккумуляторной батареи для резервирования систем электроснабжения

Проблемным вопросом электроснабжения устройств СЦБ является необходимость резервирования ВЛ СЦБ при кратковременном исчезновении питающего напряжения тяговой подстанции (см. рис. 1.8). Для реализации подобного резервирования можно использовать аккумуляторную батарею тяговой подстанции, которая будет обеспечивать напряжением UАБ тиристорный или транзисторный инвертор. Принципиальное схемопостроение и требования, предъявляемые к нему, аналогичны требованиям к устройству, описанному в разделе 4.4. Один из вариантов структурной схемы такого технического решения приведен на рис. 4.14.

Здесь при исчезновении трехфазного напряжения на вход блока управления БУ поступают сигналы Uдi = f(UШСН, UВЛ СЦБ), которые контролируют напряжения на шинах собственных нужд и в высоковольтной линии ВЛ СЦБ соответственно. Далее к аккумуляторной батарее UАБ по командам блока управления БУ подключается инвертор Инв, и через транс-

форматоры TVинв и TVСЦБ высокое напряжение 10 кВ поступает в ВЛ СЦБ. Практически принципиальная схема силовой части Инв приведена

на рис. 4.15, где транзисторные ключи SА1,…, SС2 формируют трехфазное

80