SI9900129A - Naprava za napajanje vozil na enosmerni tok - Google Patents

Abstract

Pri progah na enosmerni tok nizka obratovalna napetost vodi do velikih prenosnih izgub in pogojuje množico napajalnih postaj vzdolž prometnih prog. Napajalni ojačevalnik kompenzira padec napetosti med napajalno postajo in mestom postavitve ojačevalnika, s tem da se vnese dodatna napetost v vozni vod. Na ta način se lahko znižajo prevodne izgube, se povečajo razdalje med napajalnimi postajami kot tudi se lahko poganjajo močnejša vozila. Če na mestu postavitve ojačevalnika ni priključka na izmenično omrežje s srednjo napetostjo, se lahko kot izvor dodatne napetosti uporabi enosmerni sistem za progovno oskrbo.ŕ

Description

ASEA BROWN BOVERI AG

Naprava za napajanje vozil na enosmerni tok

Predloženi izum se nanaša na področje oskrbe s tokom vozil na enosmerni tok, ki so vezana na električne vode. Zadeva napravo za prenašanje vlečne moči na vozila na enosmerni tok po uvodnem delu prvega patentnega zahtevka.

Vsepovsod tvorijo enosmerni sistemi bistveni delež električne vleke. Ti sistemi obsegajo trolejbusne linije, cestne železnice, podzemne železnice, hitre železnice, industrijske železnice in medkrajevne železniške proge. Pri tem danes običajne nazivne pogonske napetosti 600 V, 750 V, 1500 V in 3000 V. Oskrba z energijo poteka skoraj izključno iz javnega trifaznega omrežja s pomočjo diodnih usmernikov. Zaradi nizke obratovalne napetosti pride do velikih z obratovanjem pogojenih padcev napetosti v voznih vodnikih. Po eni strani to vodi do velikih prenosnih izgub in po drugi strani, ker se ne sme pasti pod določeno najnižjo napetost, pogojuje množico napajalnih postaj z napajalnimi usmerniki vzdolž prometnih prog. Z naraščajočo gostoto prometa in z naraščajočimi pogonskimi močmi se ta problem izostruje. Celo če so že obstoječe napajalne postaje z usmerniki same po sebi dovolj močne za oskrbovanje progovnega prometa, ostaja dopustna dolžina posameznih napajalnih odsekov omejena zaradi največjega dopustnega padca napetosti.

Rezultati preprostega računa, ki so predstavljeni na sl. 5, ponazarjajo razsežnost padca napetosti in nesorazmerno povečanje prevajalnih izgub z razdaljo vozila do napajalne postaje.

Kot rešitev se ponuja bistveno povečanje presekov voznih vodov ali polaganje razbremenilnih vodnikov vzporedno z voznimi vodi. To pa je možno le z velikim naporom in temu ustreznimi visokimi stroški. Predvsem v področju prog skozi tunele lahko postane zato potreben gradbeni dodatni napor zelo velik. Podobno velja tudi za vzpostavitev dodatnih napajalnih postaj. Pri teh obstoji potreba po prostoru, ki se ne sme podcenjevati, in potrebujejo možnost priključka na trifazno omrežje na nivoju srednje napetosti. Pogosto je oboje odsotno in so lahko potrebne investicije, ki znašajo mnogokratnik stroškov same usmemiske naprave.

Naloga predloženega izuma je v tem, da se stvori naprava, ki kompenzira en del padcev napetosti v napajalnih vodih in znižuje prenosne izgube, pri tem pa shaja z minimom prostora in se po potrebi lahko uporabi tudi tam, kjer ni prisoten priključek na trifazno omrežje s srednjo napetostjo.

Ta naloga je rešena s tem, da se s tako imenivanim napetostnim ojačevalnikom (booster), ki je zaporedno priključen med dva odseka napajalnega voda, v napajalni vod vnese regulirana dodatna napetost. Ta dodatna napetost kompenzira padec napetosti med napajalno postajo in mestom postavitve napetostnega ojačevalnika. Napetostni ojačevalnik obsega usmernik, ki je preko transformatorja za usmernik oskrbovan s preklopnikom s periodično napetostjo. Le-ta po naročilu ni sinusna temveč obstoji npr. iz pravokotnih napetostnih impulzov. Ta signal se preko transformatorja za usmernik vklopi v napajalni vod, se z usmernikom usmeri in se zgladi z zaporedno priključeno gladilno tuljavo.

Ploščina pod krivuljo odvisnosti izhodne napetosti od časa pri samodejno vodenem pretvorniku je pri stalni amplitudi podana z dolžino in frekvenco napetostnih impulzov in določa višino dodatne napetosti, ki se doda napajalnemu vodu. Pretvornik se regulira tako, da napetost napajalnega voda na izhodu napetostnega ojačevalnika, to se pravi na strani, kije obrnjena proč od napajalne postaje, izkazuje višjo vrednost kot na vhodu napetostnega ojačevalnika. Ta vrednost je npr. lahko enaka vrednosti plavajoče napetosti progo napajajoče napajalne postaje.

Prva prednostna izvedbena oblika izuma se odlikuje po tem, da se vhodna napetost pretvornika odjema na podpornem kondenzatorju, ki je priključen neposredno na vozni žici. Tovrstna uporaba enosmernega sistema za oskrbo proge s tokom celo kot izvora za dodatno napetost je gospodarsko zanimiva predvsem tedaj, ko na mestu postavitve, ki se obravnava kot primemo za napetostni ojačevalnik, ne obstoji primerna možnost priključitve na trifazno omrežje ali pa se lahko zgradi le z velikimi stroškovnimi napori.

Pri nadaljnji izvedbeni obliki napetostnega ojačevalnika služi trifazno omrežje kot izvor dodatne napetosti. Glede na željeno moč se lahko dodajanje dodatne napetosti izvede eno-, dvo- ali trifazno. Preklopnik je priključen na trifazno omrežje bodisi neposredno ali preko vmesnega kroga z enosmerno napetostjo. Nazadnje imenovana izvedba se da brez težav razširiti zaradi povratnega vodenja energije v trifazno omrežje, ki jo stvori vozilo pri obratovanju med zaviranjem. 'S tem se lahko pri naknadni opremi prometne proge z napetostnimi ojačevalniki hkrati upošteva električno rekuperativno zaviranje modemih vlečnih vozil.

Nadaljnji izvedbeni primeri izhajajo iz odvisnih patentnih zahtevkov.

Izum bo v nadaljnjem podrobneje pojasnjen s pomočjo izvedbenih primerov v povezavi z risbami, pri tem pa prikazujejo sl. 1 enostransko napajano progo; napetostni ojačevalnik z enosmernim vmesnim krogom in energijskim napajanjem iz enosmernega omrežja;

sl. 2 enostransko napajano progo; napetostni ojačevalnik z energijskim oskrbovanjem iz trifaznega omrežja;

sl. 3 enostransko napajano progo; napetostni ojačevalnik za energijsko oskrbo po izbiri iz enosmernega omrežja ali trifaznega omrežja in z možnostjo energijskega povratnega napajanja;

sl. 4 dvostransko napajano progo; dva napetostna ojačevalnika;

sl. 5: a) napetost U na tokovnem odjemniku vozila, b) prevajalne izgube P in c) tok I vozila v odvisnosti od oddaljenosti d vozila od napajalne postaje z (črtkana linija) in brez (izvlečena linija) napetostnega ojačevalnika.

Na slikah so enaki deli označeni z enakimi sklicevalnimi oznakami.

Sl. 1 prikazuje principielno zgradbo naprave za oskrbovanje enosmerno napajanih vozil, pri čemer v obravnavanem primeru poteka napajanje vozne proge enostransko. Vozilo 1 vozi vzdolž tirnega telesa 2 in odjema pogonsko moč napajalnemu vodu 3, ki je lahko npr. vozni vod ali kontaktna tirnica. Odvzeto moč oddaja trifazno omrežje 4 in se v napajalni postaji s pomočjo progovne napajalne enote 5, ki obsega napajalni usmernik 6, pretvarja iz trifaznega toka v enosmerni tok željene napetosti.

V določeni oddaljenosti od napajalne postaje je nameščena naprava 10 po izumu za priključitev dodatne napetosti. V napajalni vodje vgrajen izolimi ločilni odsek 11, s katerim se napajalni vod 3 razdeli v dva odseka 3a, 3b. Če se nahaja vozilo 1 na odseku 3a, kije obrnjen proč od progovne napajalne enote 5, teče‘celotni napajalni tok skozi usmernik 12, ki je vključen v napajalni odsek, in gladilno dušilko 13, ki premošča ločilni odsek 11. Preko transformatorja 14 za usmernik se usmernik 12 oskrbuje z napetostjo, ki se regulira s pomočjo samodejno vodenega pretvornika 15a. Sl. 1 prikazuje izvedbo, pri kateri se enosmerni sistem sam uporablja kot izvor za tvorjenje dodatne napetosti. Pri tem se vhodna napetost za pretvornik 15a odjema na podpornem kondenzatorju 17, ki je priključen neposredno na poljubnem mestu na napajalnem vodu 3. Pretvornik 15a se regulira tako, da napetost v vodu za ločilnim odsekom 11 izkazuje višjo vrednost kot napetost pred ločilnim odsekom. Napetost se lahko npr. drži na vrednosti plavajoče napetosti napajalne postaje.

Na sl. 2 je prikazana izvedbena varianta, pri kateri služi trifazno omrežje 4 kot izvor dodatne napetosti. Kot pri progovni napajalni enoti 5 poteka tudi tukaj vnos dodatne napetosti preko diodnega usmernika 12. Regulacija napetosti poteka v tem primeru z nastavnim organom 15b, ki obsega nasprotno paralelno priključene transistorje. Prav tako je možen namesto tiristorjev nastavni organ 15b z odklopljivimi elementi, kot so npr. GTO tiristorji (gate tum-off thyristor). Kot nadaljnja izvedbena varianta se lahko tudi odreče pretvorniku 15b in se za vnos dodatne napetosti na mesto diodnega usmernika 12 uporabijo krmiljeni usmerniki (tiristorski usmerniki). To pa ima glede na variante z diodnimi usmerniki pomanjkljivost, da se pri izpadu krmiljenja usmernika prekine napajalni vod 3.

Pomembni vidik vlečnih vozil je električno rekuperativno zaviranje. Pri tem se med zaviranjem proizvedena energija daje na razpolago drugim vozilom ali se vodi nazaj v napajalno omrežje 4 srednje napetosti. Pri večjem progovnem omrežju z več priključenimi progovnimi odseki se lahko zaželi, da se ta z zaviranjem proizvedena moč porazdeli tudi na druge progovne odseke. To lahko pogojuje pretoke toka v zaporni smeri usmernika 12. Da se ta smer toka sprosti, je potrebna dodatna stikalna priprava. To je lahko bodisi mehanski hitri odklopnik ali polprevodniško stikalo 18 (npr. tiristorsko stikalo).

Če pa se z zaviranjem proizvede več moči, kot jo trenutno potrebujejo druga vozila, se mora ta dodatna moč bodisi uničiti na uporih ah pa se mora vrniti'trifaznemu omrežju. Na sl. 3 je prikazana izvedbena možnost za napravo za tvorjenje dodatne napetosti v povezavi s povratno napajalno enoto za povratno vodenje energije v trifazno omrežje

4. Pri tej napravi obstoji možnost, da se po izboru pritegne enosmerni sistem ali trifazno omrežje kot izvor dodatne napetosti. Enosmerni vmesni krog 16 obsega podporni kondenzator 17 kot tudi drugi samodejno vodeni pretvornik 19, poleg tega se pri tej izvedbi vmesni krog z enosmerno napetostjo smotrno priključi na izhodno stran usmernika 12. Drugi pretvornik 19 je preko transformatorja 20 priključen na trifazno omrežje. Da se trifaznemu omrežju v nobenem primeru ne odvzame več moči, kot je potrebno za tvorjenje dodatne napetosti, je smotrno podporni kondenzator 17 s pomočjo diode 21 razklopiti od napajalnega voda 3. Nadaljnja prednost te razklopilne diode 21 je v tem, da pri morebitnih kratkih stikih na voznih žicah ne more priti do neželjenega napajanja mesta z napako.

Vnos dodatne napetosti je seveda možen tudi pri dvostranskem napajanju progovnih odsekov, kot velja za progovni odsek med napajalnima postajama 5, 5'. Izvedbena varianta je predstavljena na sl. 4. Ker napetostna ojačevalnika 10, 10' delujeta le v eni smeri, se ponuja, da se v tem primeru priključita dva ah splošneje sodo število napetostnih ojačevalnikom med dvema napajalnima postajama.

Prednosti izravnave po izumu padca napetosti, predvsem s tem doseženo zmanjšanje močnostnih izgub, so razvidne iz rezultatov simulacije, ki so predstavljeni na sl. 5. Izračun tokovnih in napetostnih razmer ima za osnovo naslednje privzetike:

- pogon vozila sprejema stalno moč 1200 kW iz napajalnega voda,

- plavajoča napetost progovne napajalne enote znaša 820 V,

- ohmski in induktivni padec enosmerne napetosti napajalne usmemiške naprave ustreza notranjemu uporu 0,03 Ω in

- skupni specifični upor voda (napajalnega in povratnega voda) naj znaša 0,1 Ω/km.

Pri enostranskem napajanju brez napetostnega ojačevalnika po izumu se dobijo na sl. 5 črtkano predstavljeni rezultati. Če je vozilo oddaljeno 1 kilometer od napajalne postaje, pade napetost, kije na razpolago odjemniku, od 773 V na 520 V. Pri stalnem odjemanju moči se temu ustrezno «dvigne obratovalni tok od 1550 A na 2310 A. Izgube pri prenosu nesorazmerno narastejo z oddaljenostjo vozila od napajalne postaje in v oddaljenosti 1 km znašajo že 533 kW.

Ob istih privzetkih glede moči vozila kot tudi uporih napajalne postaje in proge so se izračuni ponovili ob upoštevanju delovanja napetostnega ojačevalnika. Pri dodajanju dodatne napetosti v oddaljenosti 0,4 km od napajalne postaje (ustrezno tokovnemu odseku 3b na sl. 1) se dobijo na sl. 5 predstavljeni rezultati. Najnižja napetost na vozni žici nastopi po 0,4 km, ko se doseže ločilni odsek, in ima tam vrednost 700 V. Po 1 kilometru znaša napetost na vozni žici še vedno 720 V. Pri stalnem odjemu moči se dvigne obratovalni tok od 1550 A na le še 1710 A pri ločilnem mestu in na 1670 A po enem kilometru. Celotne prenosne izgube - vključno z močjo, ki se dovaja nazaj ojačevalniškemu vezju - znašajo v oddaljenosti 1 km od napajalne postaje le 329 kW.

Vnos dodatne napetosti v vozni vod pri sorazmerno nizkem investicijskem naporu dovoljuje po izboru:

- zvišanje napajalnega dosega (večje razdalje med napajalnimi postajami),

- znižanje izgub v vodih (znižanje energijske porabe) pri stalnih razdaljah med napajalnimi postajami in pri isti moči pogonskih vozil,

- zvišanje gostote prometa ali pogon z močnejšimi vozili, ne da bi se šlo pod najnižjo obratovalno napetost pri stalnih razdaljah med napajalnimi postajami in presekih voznih vodov.

Opisane izvedbene oblike naprave po izumu za izravnavanje padca napetosti pri progah na enosmerni tok nudijo naslednje prednosti:

- povečano fleksibilnost pri izboru mesta postavitve: če na mestu postavitve, ki se obravnava kot primemo za napetostni usmernik, ni primerne možnosti za priključitev na trifazno omrežje, se lahko enosmerni sistem za oskrbo proge sam uporabi kot izvor dodatne napetosti;

- več prostostnih stopenj za stroškovno optimalno izvedbo samodejno vodenega pretvornika 15, transformatorja 14 za usmernik in usmernika 12: izhodna napetost pretvornika ni nujno sinusna, poleg tega se lahko prosto izbere njena frekvenca. Zadnje je predvsem bistveni parameter za optimiranje transformatorskih stroškov.

Za

ASEA BROWN BOVERI AG:

PATENTA (fcSARNA, D.O.O. lJUb/Jw7C0P0VA 14

Claims (9)

1. Naprava za napajanje z enosmernim tokom poganjanih vozil (1), obsegajoča

a) sistem voznih vodov, obstoječ iz napajalnega voda (3) in povratnega voda (2);

b) vsaj en napajalni usmernik (6), ki je na strani izmenične napetosti priključen na trifazno omrežje (4) in na strani enosmerne napetosti proizvaja enosmerno napetost med napajalnim vodom (3) in povratnim vodom (2), označena s tem, da

c) je napajalni vod (3) z vsaj enim ločilnim mestom (11) razdeljen v prvi odsek (3a), ki je obrnjen proč od napajalnega usmernika, in drugi odsek (3b), ki je obrnjen proti napajalnemu usmerniku, in

d) je ločilno mesto (11) premoščeno s sredstvi za tvorjenje dodatne napetosti (10), ki dvigujejo potencial prvega odseka (3a).

2. Naprava po zahtevku 1, označena s tem, da sredstva za tvorjenje dodatne napetosti (10) obsegajo usmernik (12), ki je priključen na transformator (14) za usmernik na trifazni strani in je na enosmerni strani zaporedno vezan z gladilno dušilko (13) med prvim odsekom (3b) in drugim odsekom (3a) napajalnega voda.

3. Naprava po zahtevku 2, označena s tem, da je ločilno mesto (11) dodatno premoščeno z odklopljivim polprevodniškim stikalom (18) ali mehanskim hitrim odklopnikom.

4. Naprava po zahtevku 2, označena s tem, da je transformator (14) za usmernik povezan s trifaznim omrežjem (4) in usmernik (12) obsega tiristorje.

5. Naprava po zahtevku 2, označena s tem, daje transformator (14) za usmernik preko nastavnega organa (15b) povezan s trifaznim omrežjem in usmernik (12) obsega diode.

6. Naprava po zahtevku 2, označena s tem, da je transformator (14) za usmernik povezan preko prvega pretvornika (15a) s prvim vmesnim krogom (16) enosmerne napetosti, ki obsega podporni kondenzator (17).

7. Naprava po zahtevku 6, označena s tem, da je vmesni krog (16) z istosmemo napetostjo neposredno ali preko diode (21) povezan z (odsekom) napajalnega voda (3)·

8. Naprava po zahtevku 7, označena s tem, da je vmesni krog (16) enosmerne napetosti preko drugega pretvornika (19) in pretvomiškega transformatorja (20) povezan s trifaznim omrežjem (4).

9. Naprava po enem izmed predhodnih zahtevkov, označena s tem, da je med vsakokratno dvema napajalnima enotama (5, 5') predvideno sodo'število sredstev (10, 10') za tvorjenje dodatne napetosti.