Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение железных дорог. Учебное пособие
.pdf
больше напряжения в контактной сети в месте нахождения рекуперирующего электровоза.
Во-вторых, машинист электровоза должен перейти с тягового
режима работы электровоза на схему рекуперативного торможения, при которой изменяется режим работы обмотки возбуждения
тягового двигателя, позволяющий управлять величиной напряжения на токоприемнике электровоза.
В-третьих, для надежного рекуперативного торможения необходимо в любой момент времени иметь потребителя, готового принять количество электрической энергии, соответствующее необходимому тормозному усилию.
В качестве приемников энергии рекуперации могут быть использованы:
— находящиеся поблизости локомотивы, работающие в режи-
ме тяги;
— резисторы на рекуперирующем электровозе;
— инверторные агрегаты на тяговых подстанциях;
— балластные резисторы (поглощающие устройства), в кото-
рых получаемая электрическая энергия превращается в те-
пловую и рассеивается.
На электрифицированных участках переменного тока передача
энергии от рекуперирующих электровозов во внешнюю часть системы электроснабжения через тяговые подстанции при отсутствии
поблизости электровозов в тяговом режиме не встречает каких-либо
трудностей, возникающих при этом на участках постоянного тока.
Наилучшим вариантом при рекуперации является такой режим,
при котором вся вырабатываемая электровозом энергия рекуперации передается находящимся поблизости локомотивам, работающим в режиме тяги, рис. 7.1.
На рассматриваемой межподстанционной зоне находятся два
электровоза в тяговом режиме и один электровоз в режиме реку-
ў
перации с током Iр, равным сумме токов
ўў
и
I
. Контуры, по ко-
I
р
р
торым протекают составляющие тока рекуперирующего элек-
ў
тровоза
ўў
и
I
, выделены пунктиром (см. рис. 7.1). Ток первого
I
р
р
электровоза в тяговом режиме (он находится на участке между тяговой подстанцией А и рекуперирующим электровозом) представляет собой сумму тока, протекающего от тяговой подстанции А
(IA, см. рис. 7.1), и тока
ў
. Ток второго электровоза в тяговом ре-
I
р
жиме (находится на участке между тяговой подстанцией Б и рекуперирующим электровозом) — это сумма тока, протекающего
от тяговой подстанции Б (IБ, см. рис. 7.1), и тока
ўў
.
I
р
151
1
2
А
3
Рис. 7.1. Схема токораспределения на межподстанционной зоне
4 — электровоз в тяговом режиме, 5 — рекуперирующий электровоз
I
А
для случая полного использования энергии рекуперации
электровозами, находящимися в тяговом режиме:
1 — контактная сеть, 2 — тяговая подстанция, 3 — рельсы,
4
I
ў
р
5
4
I
р
I
Б
2
Б
Полное использование энергии рекуперации электровозами,
находящимися в тяговом режиме, не всегда возможно. В момент
рекуперации на межподстанционной зоне может вообще не оказаться электровозов в тяговом режиме, либо они будут, но токи,
потребляемые ими, окажутся незначительными, или электровозы будут находиться близко к тяговым подстанциям на достаточно
значительном удалении от рекуперирующего электровоза.
Если часть вырабатываемой энергии рекуперации не может
быть использована электровозами, находящимися в тяговом режиме на зоне питания, то для обеспечения необходимого тормозного усилия она должна быть принята специальными приемниками. Эта часть энергии рекуперации называется избыточной,
а токи, потребляемые приемниками, называются избыточными
токами рекуперации. В качестве приемников избыточной энергии рекуперации могут быть использованы инверторы и поглощающие установки. Для приема избыточной энергии рекуперации применяются инверторные агрегаты, устанавливаемые на тяговых подстанциях [2].
Рекуперация электрической энергии позволяет осуществить
надежное торможение состава, она уменьшает износ тормозных
колодок вагонов и бандажей колесных пар, имеющий место при
механическом торможении. При рекуперации уменьшается потребление электроэнергии из питающей системы на тягу поездов.
На электрифицированном полигоне железных дорог России она
позволяет сэкономить приблизительно 0,7 млрд кВт-ч электроэнергии в год при потреблении из системы на тягу поездов около
40 млрд кВт-ч.
152
7.2. Особенности работы системы электроснабжения
при рекуперации электрической энергии и использовании
инверторов на участках постоянного тока
Условия рекуперации электрической энергии на участках постоянного тока в значительной степени зависят от режима напряжения на шинах постоянного тока тяговых подстанций. Режим напряжения на шинах тяговой подстанции определяется ее внешней
характеристикой, рис. 7.2. На этом рисунке приведена внешняя
характеристика подстанции для выпрямительного и инверторного режимов ее работы.
U
тп
U
0
и
U
0
в
–
I
Рис. 7.2. Внешняя характеристика тяговой подстанции
Инверторный
тп
в выпрямительном и инверторном режимах
режим
Напряжение на шинах постоянного тока подстанции U
0
Выпрямительный
режим
+
I
тп
тп
для обоих режимов работы определяется выражением
U
= U0 – rIтп, (7.1)
тп
где U0 — напряжение холостого хода на шинах 3,3 кВ;
r — эквивалентное приведенное сопротивление подстанции;
Iтп — ток тяговой подстанции (для инверторного режима Iтп < 0,
это избыточный ток рекуперации).
Величины U0 и r для каждого режима имеют свои значения. Для выпрямительного режима эквивалентное приведенное сопротивление
подстанции rв меньше, чем для инверторного rи, потому что мощность подстанции в режиме выпрямления больше, чем в режиме инвертирования. Поэтому внешняя характеристика в выпрямительном
режиме идет более полого, чем в инверторном. Значение напряжения
153
холостого хода внешней характеристики в инверторном режиме
устанавливают несколько больше напряжения холостого хода в выпрямительном режиме
U
(см. рис. 7.2) [39, 40]. Наклонный пада-
о
в
U
о
и
ющий характер внешней характеристики в выпрямительном режиме
объясняется увеличением потери напряжения на эквивалентном приведенном сопротивлении подстанции с ростом ее тока. В инверторном режиме внешняя характеристика имеет возрастающий характер
при увеличении тока подстанции (см. рис. 7.2), потому что источником энергии становится рекуперирующий электровоз, а потребителем — подстанция с сопротивлением r
. Поэтому рекуперирующий
и
электровоз должен генерировать такую ЭДС и создавать на токоприемнике электровоза такое напряжение, чтобы уравновесить напряжение холостого хода
U
и потерю напряжения на сопротивлении
о
и
подстанции rи от избыточного тока рекуперации.
Для работы в режиме рекуперации машинист электровоза переходит на схему рекуперативного торможения и увеличивает напряжение на токоприемнике электровоза до значения, при котором устанавливается ток рекуперации, обеспечивающий требуемый тормозной эффект. При этом необходимо, чтобы процесс
установления тока рекуперации имел устойчивый характер, т. е.
повышение напряжения на электровозе сопровождалось увеличением тока, и наоборот. Тогда, изменяя напряжение на токоприемнике, машинист будет иметь возможность свободно регулировать
ток рекуперации, а следовательно, и тормозную силу [5].
Рассмотрим простейшую схему участка с одной тяговой подстанцией и одним рекуперирующим электровозом с током Iр, находящимся в конце зоны питания, рис. 7.3.
154
I
р
U
кс
U
U
тп
э.р
L
Рис. 7.3. Распределение напряжения
в контактной сети при одной тяговой подстанции
и одном рекуперирующем электровозе
На диаграмме распределения напряжения, приведенной
на рис. 7.3, максимальное значение напряжения имеет место на токоприемнике рекуперирующего электровоза U
, а минимальное —
эр
на шинах подстанции Uтп. Данные напряжения связаны между собой соотношением
U
= Uэ – IрRтс, (7.2)
тп
где Rтс — сопротивление участка тяговой сети между подстанцией и электровозом.
Составим схему замещения для рассматриваемого случая,
рис. 7.4.
1
R
тс
3
r
и
U
тп
U
0
I
р
U
э.р
и
4
Рис. 7.4. Схема замещения для случая одной
тяговой подстанции и одного рекуперирующего электровоза:
1 — тяговая подстанция, 2 — рекуперирующий электровоз,
3 — контактная сеть, 4 — рельсы
2
R
э
E
э
На основании второго закона Кирхгофа для составленной схе-
мы замещения можно записать
I
+ Rтс + Rэ) = Еэ – U0и, (7.3)
р(rи
где Rэ — сопротивление электровоза;
Еэ — ЭДС, создаваемая двигателями электровоза, работающи-
ми в генераторном режиме.
Из (7.3) следует
EU
-
э
0
I
=
р
r
итсэ
и
RR
++
.
(7.4)
155
Значения избыточного тока рекуперации I
и напряжения на ши-
р
нах подстанции Uтп можно найти и путем графического построения, которое позволяет определить и наиболее выгодное положение внешней характеристики подстанции в инверторном режиме.
Для этого перепишем выражение (7.3) в следующем виде:
U
+ Iрrи = Еэ – IрRэ – IрRтс. (7.5)
0и
Тогда
U
+ Iрrи = Uэ – IрRтс. (7.6)
0и
Выражения в левой и правой частях формулы (7.6) определяют
положение характеристик, приведенных на рис. 7.5.
Характеристика КС на рис. 7.5 — это естественная характеристика тяговой подстанции в инверторном режиме. Она описывается выражением, приведенным в левой части формулы (7.6). Выражение в правой части формулы определяет положение прямых МС.
Точка пересечения прямых КС и МС позволяет найти значение избыточного тока рекуперации (обозначим его как Iр), которое зависит от величины напряжения на токоприемнике электровоза Uэ.
Так, при величине напряжения Uэ1 избыточный ток рекуперации
будет I1, при напряжении Uэ2 этот ток равен I2 (см. рис. 7.5). При
максимальном допустимом напряжении U
, которое равно 4000 В
эmax
(см. 7.5), избыточный ток рекуперации будет наибольшим и равным I3. Величина наклона характеристик МС зависит от сопротивления контактной подвески (см. формулу (7.4)), поэтому увеличение ее сечения способствует росту избыточного тока рекуперации.
При рекуперации электрической энергии и наличии инверторов
на тяговых подстанциях их внешняя характеристика в инверторном режиме должна быть такой, чтобы как можно большая часть
энергии рекуперации поступала к электровозам в тяговом режиме. Электровозы могут располагаться не только на межподстанционной зоне, где имеет место рекуперация, но и на смежных межподстанционных зонах, рис. 7.6.
Чтобы создать условия для перетока тока рекуперации через
шины тяговых подстанций Б и В на соседние межподстанционные
ў
зоны (токи
I
рек
ўў
и
), где имеет место тяговая нагрузка (ток I
I
рек
тяг
),
представляется целесообразным несколько приподнять естественную характеристику в инверторном режиме за счет увеличения напряжения включения инвертора с
U
0
дует учитывать, что переход на характеристику КўСў приведет
и
до
ў
(см. рис. 7.5). Но сле-
U
0
и
к некоторому уменьшению избыточного тока рекуперации, если
156
на соседней зоне не окажется электровоза в тяговом режиме. Так,
U
при напряжении на токоприемнике
ў
он меньше I2. Некоторого увеличения избыточного тока реку-
,
I
2
данный ток будет равен
э
2
перации можно добиться, несколько уменьшив наклон характеристики КўСў, что технически реализуемо [20]. Переход на внешнюю характеристику в инверторном режиме КўС обеспечит уве-
ўў
ў
личение избыточного тока рекуперации с
U
М
3
U
э
max
М
2
U
э
2
Сў
С
С
С
3
С
2
М
1
U
э
1
Кў
U
ў
0
и
С
К
1
U
0
и
I
до
2
(см. рис. 7.5).
2
I
–I
I
тп
I
3
2
I
I
I
ў
1
2
2
+I
тп
Рис. 7.5. Характеристики тяговой подстанции
в инверторном режиме с определением
избыточного тока рекуперации
А
I
тяг
БВГ
I
рек
Iў
рек
Iў
рек
I
рек
I
тяг
I
рек
Рис. 7.6. Схема расположения рекуперирующего электровоза
и электровозов в тяговом режиме на трех межподстанционных зонах
157
7.3. Особенности режима напряжения в тяговой сети
I
I
при рекуперации электрической энергии
на участках переменного тока
При рекуперативном торможении на участках переменного тока
возникают явления, отсутствующие при рекуперации на участках
постоянного тока. Объясняется это тем, что на участках переменного тока при рекуперации поток реактивной мощности сохраняет
то же направление, как и в режиме тяги, хотя поток активной мощности, как и на участках постоянного тока, изменяет свое направление. Прежнее направление потока реактивной мощности имеет
место потому, что при инвертировании на электровозе ток в первичной обмотке его трансформатора
ной обмотке
обмотки
ў
отстает от него на угол
э
E
на некоторый угол
1
U
находится практически в противофазе с ЭДС, то ток
1
(),180-ўj
·
E
1
I·ў
э
а
I·ў
э
jў
э
ў
опережает ЭДС в первич-
э
ў
,
j
а так как напряжение этой
э
рис. 7.7 [5, 10].
э
0
j
э
(180° – jўэ)
·
I
э
р
I·ў
э
р
·
U
1
·
I
э
а
·
I
э
Рис. 7.7. Векторная диаграмма токов и напряжений
по первой гармонике для электровоза в тяговом режиме
и рекуперирующего электровоза
На векторной диаграмме приведен также вектор тока электро-
I
воза в тяговом режиме
на угол jэ. При построении векторной диаграммы (см. рис. 7.7)
U
1
за начальный вектор принят
,
который отстает от вектора напряжения
э
U
(принято, что он совпадает по на-
1
правлению с положительной осью действительных значений на комплексной плоскости).
Реактивные составляющие токов
ў
и
совпадают по фазе
I
(
I
эр
)
эр
(см. рис. 7.7). Это означает, что электровоз и в тяговом, и в рекуперативном режимах является потребителем реактивной мощности.
Обращает на себя внимание тот факт, что в рекуперативном режиме она значительно возрастает
ў
().
ээrr
Это объясняется тем,
>II
158
ў
I
j
что угол
больше угла jэ. Угол jэ в тяговом режиме изменяется
э
в пределах от 30 до 45° [5]. При принятом его среднем значении
37° cos jэ (а это практически коэффициент мощности) равен 0,8.
Как показали эксперименты, коэффициент мощности на токоприемнике рекуперирующего электровоза изменяется в пределах
0,5–0,7 [10, 17]. Если принять его среднее значение равным 0,6,
ў
то угол
j
будет приблизительно 53° (см. рис. 7.7).
э
Рассмотрим особенности режима напряжения на токоприемнике рекуперирующего электровоза для случая простейшей схемы питания, состоящей из одной тяговой подстанции и электровоза в конце зоны питания, рис. 7.8, а. Здесь под R и X понимают
активное и индуктивное сопротивления тяговой сети от подстанции до электровоза.
Сначала векторную диаграмму для оценки потери напряжения
до токоприемника, обусловленную сопротивлением тяговой сети,
построим для тягового режима работы электровоза, рис. 7.8, б. Для
четкости и ясности построения векторной диаграммы масштабы
при изображении векторов напряжения и падения напряжения приняты разные. При построении векторной диаграммы за начальный
U
вектор был принят вектор напряжения
ложение вектора тока электровоза
,
который определил по-
э
После построения векторов
I
.
э
падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях тяговой сети
напряжения на шинах подстанции
IR
э
IX
и
легко определяется положение вектора
э
(см. рис. 7.8, б).
U
тп
Потеря напряжения в тяговой сети до электровоза DU может
быть представлена как сумма отрезков «аб» и «бв». Тогда DU будет равна
DU = IэR cos jэ + IэX sin jэ. (7.7)
Перепишем полученное выражение в следующем виде:
DUIRIX
I
где
и
— активная и реактивная составляющие тока электро-
э
э
a
воза в тяговом режиме соответственно (см. рис. 7.7).
р
=+
ээ
a
,
(7.8)
р
Векторная диаграмма для рекуперативного режима работы электровоза строится в той же последовательности, что и для тягово-
ў
го режима, рис. 7.8, в. При этом напряжение
больше напряжения
ў
вектора
I
показано на рис. 7.7.
э
U
,
а ток
э
ў
I
принят равным Iэ. Положение
э
U
взято несколько
э
159
а
~
R, X
·
I
(I·ўЭ)
Э
·
(U·ўЭ)
U
Э
б
в
I·ў
jў
Э
(180° – jўЭ)
Э
·
U
Э
j
Э
·
I
Э
j
Э
·
I
R
Э
·
U
тп
·
j
I
X
Э
j
ба
D
гд е
jў
Э
в
U
DUў
U·ў
Э
Э
I·ў
R
Э
I·ў
X
j
Э
jў
э
·
U
тп
Рис. 7.8. Потери напряжения в тяговой сети переменного тока
при работе электровоза в режиме тяги и рекуперации:
а — схема питания, б — векторная диаграмма для режима тяги,
в — векторная диаграмма для режима рекуперации
Потеря напряжения до токоприемника электровоза в режи-
ме рекуперации, обусловленная сопротивлением тяговой сети
DU ў, может быть представлена как разность отрезков «ге» и «гд»
(см. рис. 7.8, в). Тогда можно записать
Dў=-
UIR IX
ўў+ўў
cos sin .jj
ээээ
(7.9)
Или
Dў=-ў+
ў
I
где
ющие тока электровоза в рекуперативном режиме (см. рис. 7.7).
ў
и
— соответственно активная и реактивная составля-
I
э
эр
a
UIRIX
ў
,
ээ
a
(7.10)
р
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]