Принципы выполнения системы электроснабжения электрического транспорта

СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ

Система тягового электроснабжения (СТЭ) (далее может быть использован термин «тяговая электрика» (ТЭ)) представляет собой часть электрической цепи подвода электрической энергии к тяговым электродвигателям (ТЭД) электроподвижного состава (ЭПС). ТЭД ЭПС является основным электроприемником, преобразующим электрическую энергию в механическую энерг ию движения поезда. Началом цепи подвода электроэнергии к ЭД ЭПС служит точка (пункт) раздела СТЭ с первичной электрической системой. Источниками питания в электросистеме могут быть электрические сети в виде ЛЭП воздушных (ВЛ) или кабельных (КЛ) линий, различного типа подстанции промышленных предприятий, городского хозяйства или энергетических систем.

В электрической цепи электросистема — ТЭД можно выделить две части: внутреннюю — от токоприемника до ТЭД, которую будем называть «внутренняя система преобразования энергии (ВСПЭ)» и внешнюю-от точки раздела с электросистемой до токоприемника ЭПС. Структуру системы электрической тяги в приведенном представлении можно изобразить схемой (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Структурная схема системы электрической тяги.

В тяговом приводе применяют электродвигатели коллекторные постоянного тока сериесного и смешанною возбуждения, асинхронные трехфазные с короткозамкнутым ротором, вентильные и синхронные. В системах электрической тяги с номинальным напряжением ниже 1000 В (трамвай, троллейбус, метрополитен) используют ЭД постоянного тока на напряжение, равное сетевому U_c (троллейбус) или 0,5U_c (многодвигательные приводы — трамвай, вагон метрополитена), а также электровозы при U_c > 1000 В.

В связи с видами ТЭД и СТЭ строят ВСПЭ в ЭПС. В эксплуатации находятся примерно пять типов тягового привода, отличающихся ВСПЭ и видами ЭД. Структуры этих приводов приведены в таблице.

Типы тягового привода ЭПС.

Поколение ТП.	Постоянный ток.	Переменный ток.

Поколение ТП.	Постоянный ток.	Переменный ток.

Примечание. СФ — сетевой LC-фильтр; СР — сглаживающий фильтр; РК — реостатный контроллер; ВУ — диодная выпрямительная установка; КТД — коллекторный тяговый двигатель; АТД — асинхронный тяговый двигатель; Т — тяговый трансформатор; ШИП — тиристорный широтно-импульсный преобразователь; ВИН — тиристорный выпрямительно-инверторный преобразователь с фазным регулированием; АИП — автономный инвертор напряжения; ЗПТ — промежуточное звено постоянного тока.

В случае коллекторных ЭД (КТД) и постоянного тока в тяговой сети ВС11Э выполняют реостатно-контакторными или тиристорно-импульсными (ТИП). При переменном токе — это выпрямительная установка и трансформатор с регулируемым выходным напряжением либо выпрямительная установка, выполненная на управляемых силовых полупроводниковых приборах (СПИ). При АТД при всех видах СТЭ обязательным элементом является автономный инвертор напряжения (АИП), преобразующий постоянный ток с контактной сетью от ЗПТ в переменный трехфазный ток, регулируемый по частоте и напряжению. АИН выполняется на полностью управляемых СПИ — запираемых тиристорах GTO или силовых транзисторах IGBT. В случае СТЭ переменною тока обязательным элементом в ВСПЭ является трансформатор (Т) и выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИН). При СТЭ на постоянном токе и АТД применяют импульсные преобразователи (ТИП) на тиристорах, подключаемые к сети через фильтры (СФ и СР). Функциональные схемы для пяти поколений ЭПС показаны в таблице.

Функциональные схемы СТЭ постоянного и переменного тока отличаются преобразователями энергии. При СТЭ постоянного тока основным элементом является преобразовательный агрегат: выпрямительный неуправляемый и управляемый и выпрямительно-инверторный. В случае переменною тока основное преобразовательное устройство — трансформатор, преобразующий уровни напряжения. Другим функциональным элементом тяговой подстанции являются распределительные устройства (РУ), которые можно рассматривать по связям с энергосистемой и тяговой сетью: вводные (связи с сетями электросистем); тяговые (связи с контактно-рельсовыми сетями); промежуточные при двухступенчатом преобразовании энергии.

Основным функциональным элементом СТЭ является также тяговая сеть, включающая контактные и рельсовые сети, питающие положительные и отрицательные ЛЭГ1. Линейными устройствами тяговой сети являются секционные разделы, разъединители, посты секционирования, пункты параллельного соединения.

Функциональная схема СТЭ постоянного тока с двухступенчатым преобразованием энергии показана на рис. 3.2. Схема включает в себя РУ высокого и среднего напряжения переменного тока, а также РУ постоянного тока. Основными преобразовательными устройствами являются силовые трансформаэоры (Tl, Т2) и выпрямительные агрегаты (ВА1, ВА2). Тяговая сеть включает в себя питающие линии (Л+, Л), линейные устройства, пост секционирования (ПС), пункт параллельного соединения (ППС), секционный разъединитель (СР), устанавливаемый для соединения секций ©, разделенных секционными изоляторами (СИ).

Система электрической тяги на постоянном токе построена по иерархическому принципу. В этой иерархии можно выделить следующие уровни:

• 1 — тяговый электродвигатель;
• 2 — секция контактной сети;
• 3 — шины РУ постоянного тока;
• 4 — шины РУ переменного тока среднего напряжения (СН);
• 5 — шины РУ высокого напряжения;
• 6 — электрическая система.

В случае одноступенчатой трансформации 5-й и 6-й уровни могут совмещаться, и раздел с электрической системой будет проходить по сетям среднего напряжения. Уровневое представление иерархии системы удобно тем, что между уровнями размещаются устройства, преобразующие или передающие электроэнергию. Таким образом, можно характеризовать специфические особенности каждой ступени иерархии.

Рис. 3.2. Функциональная схема системы электрической тяги на постоянном токе.

Аналогичную функциональную схему можно представить для систем электрической тяти на переменном токе, для которой характерна одноступенчатая трансформация напряжения при использовании трехфазных и однофазных трансформаторов. Уровни 5-й и 6-й здесь совмещаются. В тяговой сети применяются такие же линейные устройства, как и в системах постоянного тока. Схема для систем электрической тяги на переменном токе с трехфазными трансформаторами показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Функцианальная схема системы электрической тяги на переменном токе.

I I — коммутационные аппараты; ДПР — система два провода — рельс для питания трехфазных линейных потребителей.