початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2259284

Тягових підстанцій ПОСТІЙНОГО СТРУМУ СО сверхпроводниковая індуктивного нагромаджувача ЕНЕРГІЇ

Ім'я винахідника: Бикадоров А.Л. (RU); Заруцька Т.А. (RU); Петрушин А.Д. (RU); Фігурне Є.П.
Ім'я патентовласника: Бикадоров Олександр Леонович (RU); Заруцька Тетяна Олексіївна (RU); Петрушин Олександр Дмитрович (RU); Фігурне Євген Петрович
Адреса для листування: 344038, Ростов-на-Дону, пл. Народного ополчення, 2, РГУПС, НІС
Дата початку дії патенту: 2003.02.18

Винахід відноситься до галузі залізничного транспорту, електрифікованого по системі постійного струму, що містить тягові підстанції (ТП), що перетворюють трифазний змінний струм, що отримується з енергосистеми, в постійний струм, що надходить через контактну мережу до електрорухомого складу як забезпеченому системою рекуперації, так і без неї. Тягова підстанція постійного струму зі надпровідникових індуктивним накопичувачем містить силовий трансформатор, випрямляч, згладжує фільтр з реактором, блок конденсаторів, надпровідникової індуктивний накопичувач енергії, чотири кріотрон, шість напівпровідникових керованих ключів, блок управління кріотрон і напівпровідниковими ключами, датчики струму і напруги. Винахід дозволить частково або повністю усунути нерівномірність енергоспоживання в системі, підтримувати на заданому рівні потужність ТП під час експлуатації, зменшити втрати енергії у внутрішній і зовнішній системі електропостачання, знизити потужності агрегатів ТП, приймати енергію рекуперації.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до електрифікованого транспорту і може використовуватися на тягових підстанціях (ТП) постійного струму.

Відома тягова підстанція постійного струму [1], що містить силовий трансформатор, випрямляч, випрямно-побутовий перетворювач (або поглинають пристрої), що згладжує фільтр з реактором. Цей пристрій підстанції має такі недоліки:

- При інвертуванні надлишкової енергії рекуперації в первинну мережу мають місце значні втрати енергії;

- При інвертуванні створюється підвищений заважає вплив на лінії зв'язку і радіоапаратуру, так як випрямно-інверторні перетворювачі в цьому режимі працюють з порівняно великими кутами регулювання;

- Якість інвертіруемой енергії не відповідає ГОСТ;

- При застосуванні поглинаючих пристроїв, надлишкова енергія гаситься на баластних опорах, що є чистими втратами електроенергії.

Відома тягова підстанція постійного струму з акумуляторною накопичувачем [2]. Зазначена система містить силовий трансформатор, перетворювачі, випрямляч, накопичувач (свинцева акумуляторна батарея), з'єднаний з вузлами подачі електроенергії в контактну мережу через регулятор постійно-постійного струму.

До недоліків зазначеної тягової підстанції слід віднести:

- Конструкція накопичувача містить велику кількість контактних з'єднань, що знижує надійність пристрою в цілому;

- Значні втрати енергії при її зберіганні через саморозряду акумуляторної батареї;

- Застосування технічно складного регулятора постійно-постійного струму.

Найбільш близьким за своєю технічною суттю до заявляється винаходу є тягова підстанція змінного струму зі надпровідникових індуктивним накопичувачем [3]. Ця тягова підстанція містить силовий трансформатор, фільтр, перетворювач змінного струму в постійний, що складається з чотириквадрантний регулятора, проміжного контуру постійної напруги з поглинає ланцюгом і імпульсного регулятора постійного струму, надпровідникової індуктивний накопичувач енергії (СПИН), з'єднаний зі збірною шиною через перетворювач постійного струму в постійний з проміжною ланкою постійного струму і силовий трансформатор.

Зазначена тягова підстанція не дозволяє приймати надлишкову енергію рекуперації, має складну громіздку структуру з багаторазовим перетворенням енергії в силовій частині, що знижує надійність роботи схеми і викликає значні втрати енергії в перетворювачах.

Технічним результатом, що досягається завдяки заявляється пристрою, є:

- Скорочення втрат енергії у внутрішній і зовнішній системі електропостачання і витрат енергії, одержуваної з енергосистеми на тягу;

- Спрощення конструкції ТП постійного струму за рахунок виключення інверторного блоку;

- Підвищення надійності роботи ТП зі СПИН.

Скорочення втрат енергії досягається за рахунок того, що СПИН являеться акумулятором енергії, який приймає енергію від системи зовнішнього електропостачання в період спаду тягової навантаження і передає її в тягову мережу при значному її збільшенні. Цим вирівнюється режим споживання енергії від зовнішньої системи, що призводить до зниження втрат. Скорочення витрат енергії, одержуваної з енергосистеми на тягу, здійснюється за рахунок прийому енергії рекуперації СПИН з подальшим поверненням її на тягу.

Спрощення ТП постійного струму забезпечується виключенням з її складу інверторного блоку, оскільки ці функції передані у винаході СПИН.

Підвищення надійності роботи ТП зі СПИН забезпечується за рахунок спрощення схемотехнічного рішення і скорочення числа керуючих елементів у ланцюзі перетворення енергії.

Технічний результат досягається тим, що в тягову підстанцію постійного струму зі надпровідникових індуктивним накопичувачем, підключену до контактної мережі і рейках, що містить силовий трансформатор, випрямляч, згладжує фільтр з реактором, включеним між рейками і мінусовій шиною тягової підстанції, надпровідникової індуктивний накопичувач, блок перетворення, регулювання і перерозподілу енергії між надпровідникових індуктивним накопичувачем, випрямлячем і контактною мережею, датчики струму і напруги, відповідно до винаходу, додатково введено чотири кріотрон, шість напівпровідникових керованих ключів і блок конденсаторів. Причому блок перетворення, регулювання та перерозподілу включає в себе кріотрони, зібрані по бруківці схемою, в одну діагональ якої включений надпровідникової індуктивний накопичувач, а інша діагональ моста, що складається з лівої і правої частини, шунтуватися третім і шостим напівпровідниковими ключами. Права частина моста з'єднана з анодом третього напівпровідникового ключа, катодом шостого напівпровідникового ключа, мінусовим висновком блоку конденсаторів та негативний шиною тягової підстанції. До лівої частини моста приєднані катоди третього і п'ятого напівпровідникових ключів і аноди другого і шостого напівпровідникових ключів. До анодам першого і п'ятого напівпровідникових ключів приєднані катоди другого і четвертого напівпровідникових ключів і плюсової висновок блоку конденсаторів, до катода першого напівпровідникового ключа і анода четвертого напівпровідникового ключа приєднана плюсова шина тягової підстанції. При цьому керуючі висновки всіх напівпровідникових ключів і кріотронів з'єднані з відповідними висновками блоку управління, до входів якого підключений вихід датчика струму, включеного між мінусовій шиною тягової підстанції і рейками в ланцюг реактора і вихід датчика напруги, включеного між плюсової і мінусової шинами тягової підстанції. Причому при тривалому зберіганні енергії все кріотрони замкнуті, а напівпровідникові ключі розімкнуті. При надходженні енергії в надпровідникової індуктивний накопичувач другий і третій кріотрони розмикаються, замикається четвертий напівпровідниковий ключ на час заряду блоку конденсаторів, після чого розмикається третій і четвертий і замикається п'ятий напівпровідниковий ключ на час розряду блоку конденсаторів на надпровідникової індуктивний накопичувач. А при відборі енергії - розмикається перший і четвертий кріотрони, замикається другий напівпровідниковий ключ на час заряду блоку конденсаторів, після чого він розмикається, і замикаються перший і шостий напівпровідникові ключі на час розряду блоку конденсаторів на контактну мережу.

Винахід пояснюється графічно на фіг.1 - 3.

	На фіг.1 зображена загальна схема заявляється ТП зі СПИН, на якій показані: силовий трансформатор Т, випрямляч тягової підстанції В, надпровідникової індуктивний накопичувач енергії СПИН, згладжує фільтр, що складається з конденсатора С ф і реактора L p, блок конденсаторів З, кріотрони К1 ÷ К4, що знаходяться в холодній зоні, напівпровідникові керовані ключі ПК1 ÷ ПК6, блок управління БУ, система датчиків струму ДТ і напруги ДН, електрорухомий склад ЕПС, контактна мережа КС, рейок Р. На фіг.2 показані тимчасові діаграми, що пояснюють роботу ТП при надходженні енергії в СПИН від ЕРС або від випрямляча. Перші п'ять тимчасових діаграм показують стан ключів. Замкнутий стан ключів відзначено заштрихованої областю. Шоста, сьома і восьма тимчасові діаграми показують зміна струму в СПИН (I спін), на блоці конденсаторів (I с) і на ЕРС (I ЕРС). Дев'ята, десята і одинадцята - зміна напруги в СПИН (U спін), на блоці конденсаторів (U c) і на ЕРС (U ЕРС). На фіг.3 показані тимчасові діаграми, що пояснюють роботу пристрою при віддачі енергії від СПИН в контактну мережу. Послідовність зображення тимчасових діаграм така ж, як і на фіг.2. При русі ЕРС з тягової мережі споживається струм певної величини, що відповідає обраному режиму роботи. При рекуперації ЕПС струм, що надходить в тягову мережу, повинен бути безперервним і за величиною відповідати необхідному гальмівного ефекту. При цьому необхідно забезпечувати безперервне надходження енергії в тягову мережу, або прийом енергії рекуперації з неї. Безпосереднє підключення СПИН до тягової мережі призводить до протиріччя, що полягає в тому, що неможливо плавно керувати потоком енергії СПИН, так як він є джерелом струму. У цьому випадку струм в тягової мережі буде значно перевищувати необхідне значення, що призведе до аварійної ситуації.

В заявляється тягової підстанції зазначене протиріччя дозволяється наступним чином: енергія від СПИН в тягову мережу постійного струму і назад надходить порціями з проміжним короткочасним її запасом в блоці конденсаторів. При цьому струм, що надходить в тягову мережу, буде відповідати цьому режиму роботи ЕРС. Сам процес перерозподілу енергії між СПИН, блоком конденсаторів і тягової мережею виконується за допомогою напівпровідникових ключів, що знаходяться поза охолоджувальної зони і кріотронів. Таким чином, наявність блоку конденсаторів дозволяє зробити процес керованим. Блок конденсаторів, отримуючи порцію енергії на короткочасне зберігання, порядку одиниць мілісекунд, дозволяє перевести СПИН в режим зберігання енергії, коли він замкнутий сам на себе, і в цей період відключати його від тягової мережі.

Цей пристрій підтримує роздільну три режими роботи. Перший режим - тривале зберігання енергії. В цьому режимі КС харчується від трансформатора Т і випрямляча В, а запасена енергія в СПИН зберігається за рахунок циркуляції в ньому струму без втрат. Другий режим - накопичення енергії в СПИН від ЕРС або від ТП. В цьому режимі СПИН приймає енергію від рекуперірует ЕРС або від ТП в період спаду навантаження. Третій режим - віддача енергії з СПИН в контактну мережу. Цей режим дозволяє знизити передачу енергії від зовнішнього енергосистеми на ТП в період піку енергоспоживання на КС, за рахунок передачі енергії з СПИН в КС, тобто за рахунок паралельної роботи ТП і СПИН на КС.

Перший режим - тривале зберігання енергії в СПИН і незалежна робота ТП на контактну мережу.

Кріотрони К1, К2, К3, К4 - замкнуті, напівпровідникові керовані ключі ПК1, ПК2, ПК3, ПК4, ПК5, ПК6 - розімкнуті. При цьому СПИН відділений від тягової мережі, замкнутий сам на себе і знаходиться в режимі тривалого зберігання енергії без втрат в надпровідний контурі.

Другий режим - накопичення енергії в СПИН від ЕРС в режимі рекуперації або від ТП.

Початковий стан кріотронів і напівпровідникових ключів - їх положення, яке відповідає режиму тривалого зберігання енергії (першому режиму). При появі струму рекуперації або при необхідності підтримання на заданому рівні енергоспоживання ТП, за сигналом блоку управління БУ замикається ключ ПК4 і енергія по шляху ЕРС - Ф - ПК4 - С (в разі рекуперації) або по ланцюгу Т - В - Ф ПК4 - С ( в разі надходження енергії в СПИН від ТП) надходить в блок конденсаторів С. Після завершення циклу заряду С, розмикається ПК4. Потім замикається ПК5, після цього розмикаються на весь час роботи другого режиму кріотрони К2 і К3, внаслідок чого енергія, накопичена в блоці конденсаторів С, надходить в СПИН по шляху З - ПК5 - К1 -СПІН - К4 - С. Після розряду блоку конденсаторів до значення, близького до нуля, блок управління БУ видає сигнал на замикання ПК3, розмикання ПК5 і замикання ПК4. Це забезпечить цикл повторного заряду блоку конденсаторів за описаним раніше контуру. Далі по сигналу БО розмикається ПК4, замикається ПК5 і розмикається ПКЗ. Починаючи з цього моменту йде процес розряду С на СПИН за описаним раніше шляху. Далі цикли повторюються.

Третій режим - віддача енергії з СПИН в контактну мережу. Початковий стан ключів - положення, яке відповідає режиму тривалого зберігання енергії (першому режиму). При необхідності підтримки на заданому рівні енергоспоживання ТП, по сигналу БО замикається ключ ПК2, розмикаються на весь час надходження енергії в тягову мережу кріотрони К1 і К4. Блок конденсаторів З заряджається по контуру: СПИН - К3 - ПК2 -С - К2 - СПИН. Далі після заряду З вище напруги контактної мережі, замикаються ПК6 і ПК1, розмикається ПК2. Енергія, накопичена в конденсаторної батареї С, надходить в контактну мережу по ланцюгу С - ПК1 - фільтр - КС - ЕРС. Після вирівнювання напруги на блоці конденсаторів Сів контактної мережі, розмикається ПК1, і процес заряду блоку конденсаторів починається знову за описаним раніше циклу. Після завершення режиму вирівнювання навантаження по сигналу датчиків Д пристрій переходить в перший режим шляхом замикання всіх кріотронів К1, К2, К3, К4 і розмикання всіх інших джерел.

Для усунення нерівномірності енергоспоживання ТП і дозованого відбору енергії з СПИН цим потоком енергії можна управляти, змінюючи співвідношення часу відкритого і закритого стану напівпровідникових ключів. Працездатність даного пристрою забезпечується тим, що необхідні елементи для даного пристрою існують і випускаються промисловістю. Ефективну спільну роботу ТП, ЕРС і СПИН у всьому діапазоні навантажень забезпечують частотні властивості, клас по напрузі і струмові навантаження сучасних напівпровідникових приладів, наприклад IGCT 5SHY 35L4502 (виробник ABB Semiconductors AG).

ВИКОРИСТОВУВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Ю.М.Бей, PPМамошін і ін. Тягові підстанції. / Підручник для вузів ж.-д. транспорту. М .: Транспорт, 1986 - 319 с.

2. Застосування батарейного накопичувача на гірській залізниці. Залізниці світу. - 1998 №3, с.37-40.

3. Вирівнювання навантаження тягових підстанцій за допомогою акумуляторів енергії. Залізниці світу. - 1997, №1, с.43-50.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Тягова підстанція постійного струму зі надпровідникових індуктивним накопичувачем, підключена до контактної мережі і рейках, що містить силовий трансформатор, випрямляч, згладжує фільтр з реактором, включеним між рейками і мінусовій шиною тягової підстанції, надпровідникової індуктивний накопичувач, блок перетворення, регулювання та перерозподілу енергії між надпровідникових індуктивним накопичувачем, випрямлячем і контактною мережею, датчики струму і напруги, що відрізняється тим, що в неї додатково введені чотири кріотрон, шість напівпровідникових керованих ключів і блок конденсаторів, причому блок перетворення, регулювання та перерозподілу енергії включає в себе кріотрони, зібрані по бруківці схемою, в одну діагональ якої включений надпровідникової індуктивний накопичувач, а інша діагональ моста, що складається з лівої і правої частин шунтуватися третім і шостим напівпровідниковими ключами, права частина моста з'єднана з анодом третього напівпровідникового ключа, катодом шостого напівпровідникового ключа, мінусовим висновком блоку конденсаторів та негативний шиною тягової підстанції , до лівої частини моста приєднані катоди третього і п'ятого напівпровідникових ключів і аноди другого і шостого напівпровідникових ключів, до анодам першого і п'ятого напівпровідникових ключів приєднані катоди другого і четвертого напівпровідникових ключів і плюсової висновок блоку конденсаторів, до катода першого напівпровідникового ключа і анода четвертого напівпровідникового ключа приєднана плюсова шина тягової підстанції, при цьому керуючі висновки всіх напівпровідникових ключів і кріотронів з'єднані з відповідними висновками блоку управління, до входів якого підключені вихід датчика струму, включеного між мінусовій шиною тягової підстанції і рейками в ланцюг реактора, і вихід датчика напруги, включеного між плюсової і мінусовій шинами тягової підстанції, причому при тривалому зберіганні енергії все кріотрони замкнуті, а напівпровідникові ключі розімкнуті, при надходженні енергії в надпровідникової індуктивний накопичувач другий і третій кріотрони розмикаються, замикається четвертий напівпровідниковий ключ на час заряду блоку конденсаторів, після чого розмикається третій і четвертий і замикається п'ятий напівпровідникові ключі на час розряду блоку конденсаторів на надпровідникової індуктивний накопичувач, а при відборі енергії розмикається перший і четвертий кріотрони, замикається другий напівпровідниковий ключ на час заряду блоку конденсаторів, після чого він розмикається і замикаються перший і шостий напівпровідникові ключі на час розряду блоку конденсаторів на контактну мережу.

Версія для друку
Дата публікації 18.02.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів