Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и элементы теории автоматического регулирования напряжения в тяговом электроснабжении. Учебное пособие
.pdf
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электроснабжение транспорта»
Б. А. Аржанников
И. А. Юшкова
Системы и элементы теории
автоматического регулирования
напряжения в тяговом
электроснабжении
Учебное пособие
по дисциплине «Системы автоматического управления
в электроснабжении» для обучающихся
по специальности 23.05.05 «Системы обеспечения
движения поездов»
специализации «Электроснабжение железных дорог»
всех форм обучения
Екатеринбург
УрГУПС
2024
УДК 621.311
А80
Аржанников, Б. А.
А80 Системы и элементы теории автоматического регулирования напря-
жения в тяговом электроснабжении : учебное пособие / Б. А. Аржанников, И. А. Юшкова. – Екатеринбург : УрГУПС, 2024. – 179, [1] с.
ISBN 978-5-94614-573-2
Изложены задачи и сведения об управлении (регулировании) производственными процессами; приведены элементы теории систем автоматического
регулирования; представлены способ и устройства регулирования напряжения
трансформаторов под нагрузкой; рассмотрены устройство и режимы работы систем: автоматической стабилизации напряжения на тяговой подстанции, системы регулирования напряжения в контактной сети и системы управляемого тягового электроснабжения при скоростном и тяжеловесном движении поездов.
Пособие соответствует учебной программе дисциплины «Системы автоматического управления в электроснабжении» и предназначено для обучающихся
по специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» всех форм обучения.
УДК 621.311
Авторы: Б. А. Аржанников – профессор кафедры «Электроснабжение
транспорта», д-р техн. наук, УрГУПС
И. А. Юшкова – доцент кафедры «Электроснабжение
транспорта», канд. техн. наук, УрГУПС
Рецензенты: А. П. Буйносов – профессор кафедры «Электрическая
тяга», д-р техн. наук, УрГУПС
Т. С. Тарасовский – главный специалист по электроснаб-
жению ООО «ПК «Приоритет», канд. техн. наук
ISBN 978-5-94614-573-2 © Уральский государственный университет
путей сообщения (УрГУПС), 2024
Введение .......................................................................................................... 7
Глава 1. Назначение устройства повышения и регулирования напряжения
в системе тягового электроснабжения постоянного тока 3,0 кВ ....9
1.1. Основные требования к напряжению в системе электрической
тяги постоянного тока .......................................................................9
1.2. Элементы электрической цепи, мероприятия
и устройства, изменяющие напряжение в контактной сети
постоянного тока ............................................................................. 11
1.2.1. Электрическая схема питания электроподвижного состава ....... 11
1.2.2. Устройства статического изменения (повышения)
напряжения в контактной сети ..............................................11
1.2.3. Устройства динамического изменения (регулирования)
напряжения в контактной сети ..............................................12
Глава 2. Регулирование напряжения трансформаторов .............................. 14
2.1. Электромагнитный способ регулирования напряжения
трансформаторов ............................................................................ 14
2.2. Характер изменения напряжения и виды
устройств регулирования напряжения трансформаторов
под нагрузкой РПН..........................................................................15
2.3. Плавное бесконтактное «реакторное» регулирование
напряжения трансформаторов под нагрузкой ...............................17
2.4. Ступенчатое регулирование напряжения трансформаторов
под нагрузкой РПН..........................................................................23
2.4.1. Ступенчатое контактное регулирование напряжения
трансформаторов под нагрузкой РПН ................................... 23
2.4.2. Ступенчатое контактное пофазное РПН ............................... 26
2.4.3. Ступенчатое бесконтактное тиристорное РПН
трансформаторов (схемы тиристорных переключающих
устройств) ................................................................................ 27
2.5. Комбинированное РПН трансформаторов ....................................31
3
2.5.1. Основные сведения о тиристорном регулировании
напряжения трансформаторов ...............................................31
2.5.2. Комбинированное плавно-ступенчатое РПН
трансформаторов ....................................................................34
2.6. Примеры схем регулирования вторичного напряжения
нерегулируемых трансформаторов с помощью регулируемых
вольтодобавочных трансформаторов ..............................................36
Глава 3. Принцип действия и классификация систем автоматического
управления (регулирования) ........................................................... 39
3.1. Принцип действия системы автоматизированного (ручного)
регулирования ................................................................................. 39
3.2. Краткая классификация систем автоматического управления ..... 45
3.3. Обыкновенные системы автоматического регулирования —
разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы ................46
3.4. Основные задачи теории автоматического регулирования ...........50
Глава 4. Динамические и статические характеристики
линейных элементов систем автоматического регулирования ..... 54
4.1. Элементы и звенья систем автоматического регулирования .........54
4.2. Линеаризация уравнений
регулирования ..................................................................................57
звеньев системы автоматического
4.3. Передаточные функции линейных звеньев ....................................60
4.4. Переходные и частотные характеристики звеньев .........................62
4.4.1. Переходные характеристики ..................................................62
4.4.2. Частотные характеристики ..................................................... 65
4.5. Методы операционных преобразований уравнений
динамики звеньев линейных систем ...............................................69
4.6. Типовые звенья систем автоматического управления
(регулирования) ............................................................................... 72
4.6.1. Статическое (апериодическое) звено первого порядка .........72
4.6.2. Статическое безынерционное (усилительное) звено ............77
4.6.3. Статическое (апериодическое) звено второго порядка .........79
4.6.4. Статическое колебательное звено второго порядка ..............82
4.6.5. Идеальное интегрирующее звено ...........................................84
4.6.6. Реальные интегрирующие звенья ..........................................87
4.6.7. Идеальное дифференцирующее звено ...................................87
4.6.8. Реальные дифференцирующие звенья ..................................89
4.6.9. Звено с постоянным запаздыванием ......................................89
4
Глава 5. Структурные схемы и передаточные функции линейных систем . 91
5.1. Получение передаточной функции системы
по передаточным функциям звеньев .............................................. 91
5.1.1. Передаточная функция цепи последовательно
соединенных звеньев направленного действия ..................... 91
5.1.2. Параллельное соединение звеньев ......................................... 92
5.1.3. Звено, охваченное обратной связью.......................................93
5.1.4. Передаточные функции замкнутых систем ...........................95
Глава 6. Стационарный режим линейных систем автоматического
регулирования ............................................................................... 101
6.1. Состояние систем автоматического регулирования .................... 101
6.2. Статический стационарный режим систем автоматического
регулирования ................................................................................ 101
6.2.1. Статический режим статических систем .............................. 102
6.3. Способы устранения статического отклонения ........................... 104
6.3.1. Астатические системы регулирования ................................. 104
6.3.2. Компенсация возмущений ................................................... 107
Глава 7. Устойчивость линейных систем автоматического
регулирования ............................................................................... 110
7.1. Понятие об устойчивости .............................................................. 110
Глава 8. Дискретные системы автоматического регулирования ............... 115
8.1. Понятие о дискретных системах автоматического
регулирования ................................................................................ 115
8.2. Установившийся режим работы релейных систем
автоматического регулирования ................................................... 120
8.3. Методы исследования релейных систем автоматического
управления ..................................................................................... 123
Глава 9. Системы автоматического регулирования напряжения
тягового электроснабжения .......................................................... 126
9.1. Система бесконтактного автоматического регулирования
напряжения преобразовательного агрегата БАРН ....................... 126
9.1.1. Определение передаточной функции сложного
динамического звена на примере системы БАРН ............... 126
9.1.2. Экспериментальные исследования устойчивости
и качества переходных процессов в системе БАРН ............. 133
5
9.2. Система автоматического регулирования напряжения
в контактной сети «Сирена» .......................................................... 136
9.3. Система управляемого электроснабжения
при скоростном и тяжеловесном движении поездов ................... 141
9.3.1. Задачи управляемой системы электроснабжения ............... 141
9.3.2. Функциональная схема системы
управляемого электроснабжения ......................................... 143
9.3.3. Результаты выполнения задач алгоритма
управляемой системы тягового электроснабжения ............. 145
Библиографический список ....................................................................... 153
Приложение П.1. Основные параметры тяговых трансформаторов
и управляемых реакторов .............................................. 156
Приложение П.2. Пример линеаризации уравнения генератора
постоянного тока ........................................................... 160
Приложение П.3. Связь между передаточной функцией
и частотными характеристиками звена ........................ 165
Приложение П.4. Типовые динамические звенья ..................................... 168
Приложение П.5. Выражение передаточной функции системы
автоматического регулирования напряжения
синхронного генератора ................................................ 172
Приложение П.6. Шкафы автоматического управления напряжения ..... 174
Приложение П.7. Система регулирования напряжения «Сирена» ........... 176
Приложение П. 8. Статические характеристики типовых
релейных элементов ..................................................... 178
6
Работы по автоматизации тяговых подстанций электрифицированных железных дорог начались в 1930-е годы и получили широкое применение в период массовой электрификации железных дорог
в 1956—1970-е годы. Были разработаны устройства и приборы автоматики тяговых подстанций, устройства телеуправления тяговыми
подстанциями и постами секционирования на релейно-контактных
элементах. От релейно-контактных систем телеуправления (1952 г.)
осуществлен переход на электронные БНТУ-58, БСТ-59, БТР-60,
ЭСТ-62 (применение с 1964 г.), «Лисна» (1979 г. ) и переход на систему телеуправления, телесигнализации и телеизмерения на базе микроэлектронной техники МСТ-95, АМТ (2011 г.) и с использованием компьютерных технологий (Топаз, АСТМУ).
На тяговых подстанциях в 1961—1963 гг. на электронных элементах применены устройства регулирования мощности (АРМ), телеблокировки, бесконтактной фидерной автоматики. Позднее разработаны
единые управляющие комплексы для подстанций постоянного тока
«Миасс» и для подстанций переменного тока «Сейма-3».
Комплекс «Сейма-3» включает следующие устройства: защиты силовых трансформаторов 110/35/27,5 кВ; фидеров контактной сети;
линий продольного электроснабжения, автоблокировки, районной
нагрузки 6, 10, 35 кВ; защиты шин 6, 10, 27,5 и 35 кВ, защиты и автоматики трансформаторов собственных нужд; дистанционного управления высоковольтными разъединителями и выключателями всех
присоединений; сигнализации о положении высоковольтных аппаратов, аварийной и предупредительной сигнализации, телеуправления и телесигнализации; автоматического повторного включения
(АПВ) и автоматического включения резерва (АВР) основных аппаратов и присоединений, регулирования напряжения на шинах 27,5 кВ;
автоматического определения мест короткого замыкания контактной
сети и высоковольтных линий автоблокировки; регистрации автоматических и оперативных переключений. Одновременно разработанные электронный комплекс «Миасс» и комплекс «Сейма-3» установлены на ряде тяговых подстанций.
7
Дальнейшим шагом в развитии комплексной автоматизации и телемеханизации явилась разработка системы бесконтактного автоматического регулирования напряжения на шинах тяговых подстанций
(БАРН), эксплуатация которых началась на отдельных участках ряда
железных дорог РФ с 1970 годов.
С совершенствованием технических элементов разрабатываются новые системы регулирования и управления процессами тягового электроснабжения и энергетики.
Всякая система управления решает следующие задачи: сбор и передачу информации об управляемом объекте, переработку информации и выдачу управляющих воздействий на объекты управления. Различают автоматические и автоматизированные системы управления
(АСУ). В автоматических системах процесс управления (регулирования) полностью автоматизирован и человек лишь включает, отключает систему и производит ее профилактический ремонт.
Автоматизированные системы имеют в системе управления человека-диспетчера, оператора или другого административно-управленческого персонала. Производится переход от отдельных устройств
автоматики и телемеханики к электронным автоматическим комплексам. В дальнейшем эти комплексы объединяются в единую автоматизированную систему управления устройствами энергоснабжения
и энергетики (АСУТП) и системы организационного оперативно-администрационного управления (АСУОУ).
В автоматизированную систему управления технологическими
процессами (АСУТП), примером которой является современный диспетчерский пункт дистанции электроснабжения, составной частью
входят автоматические системы управления (регулирования) на тяговых подстанциях, постах секционирования и других объектах системы электроснабжения. Замена человека-диспетчера на электронную
вычислительную машину переведет систему АСУТП из автоматизированной в автоматическую.
В дальнейшем система АСУЭЭ может войти в качестве подсистемы в отраслевую АСУ железнодорожного транспорта (АСУЖД).
8
В соответствии с ГОСТ 6269-75 номинальным напряжением на
шинах тяговых подстанций принято 3,3 кВ, максимальным рабочим —
3,85 кВ и по допустимым нормам изоляции — 4 кВ. Максимальные
изменения напряжения на шинах тяговой подстанции при номинальном напряже нии питающей сети допустимы в пределах 550 В
(3,85—3,3 кВ). При до пустимых отклонениях питающего напряжения энергосистем (ГОСТ 13109-67) в пределах ±5 % верхний уровень
от 3,85 кВ составит 4,04 кВ, а нижний уровень от 3,3 кВ — 3,135 кВ.
Таким образом, возможные (нормированные) максимальные отклонения напряжения на шинах подстанций лежат в пределах от 3,135
до 4,04 кВ.
При принятом в проектировании электровозов номинальном
напряжении на токоприемнике 3 кВ ГОСТ 6269-75 устанавливает мак симальное напряжение 4 кВ и минимальное 2,2 кВ. Дополнительными требованиями для нормальной эксплуатации принят минимальный уровень 2,7 кВ для участков с руководящим подъемом
и 2,4 кВ для остальных участков. Для участков со скоростным движением пассажирских поездов принят минимальный уровень 2,9 кВ.
В результате исследования работы тяговых и вспомогательных машин
по условиям ограничения по сцеплению, по току нагрузки, по нагреванию обмоток, ограничения по потенциаль ным условиям на коллекторе и по коммутации под щетками приняты длительное наибольшее
напряжение 3,6 кВ и длительное наименьшее — 2,8 кВ. Этот диапазон
9
напряжений по отношению к регламентированному 2,2—4,0 кВ хотя
и уменьшен, но от номинального напряжения на токоприемнике электровоза 3 кВ отличается на плюс 20 % и на минус 6,7 %.
Известно, что напряжение на токоприемнике электровозов, находящихся на фидерной зоне, не может быть посто янным и равным
3 кВ. Поэтому стремление к сужению диапазона отклоне ния напряжения является условием обеспечения номинального режима тяговых и вспомогательных машин электровоза.
Необходимо отметить, что при одинаковых скоростях движения
и массе поездов при повышении напряжения на токоприемнике
электровоза относительно минимального или номинального уровня расход электрической энергии на тягу практически не изменяется и равен
где U
, Iэ — напряжение и ток электровоза;
э
тяги э э т
(1.1)
,A UIt=
tт — время движения под током.
Однако при повышении напряжения и равенстве времени движения под током снижается ток электровоза, что ведет к уменьшению
потерь электрической энергии в тяговой сети.
Повышение напряжения в контактной сети при введении тяжеловесного и скоростного движения поездов, электровозов с повышенной мощностью, таких как 2ЭС6 с коллекторными двигателями или
2ЭС10 с асинхронными двигателями, ведет к снижению токовых нагрузок контактной сети.
Повышение напряжения необходимо и важно при движении поезда на подъемах с работой электровозов в тяговом режиме. С другой стороны, при движении поезда по уклону и для обеспечения
электровозом надежного электрического торможения (рекуперации
электрической энергии) необходимо понижение напряжения на тяговых подстанциях. В этих случаях требуется введение автоматического регулирования напряжения в зависимости от состояния поездной обстановки.
Кроме того, введение устройств автоматического регулирования
напряжения с высокой точностью позволяет получить практически
одинаковые напряжения на шинах соседних тяговых подстанций, что
ведет к существенному снижению «уравнительных токов» (токов перераспределения) при наличии тяговой нагрузки на фидерной зоне.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]