Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів
Розглянуті схемотехнічні рішення основних вузлів системи електротягового забезпечення (тягового електропостачання) метрополітенів з повздовжньою високовольтною лінією живлення постійного струму. Показано, що при їх використанні можна суттєво покращити показники технічної досконалості системи електро...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142784 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів / М.В. Хворост, В.В. Божко // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 6. — С. 79-86. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142784 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Хворост, М.В. Божко, В.В. 2018-10-15T19:34:53Z 2018-10-15T19:34:53Z 2006 Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів / М.В. Хворост, В.В. Божко // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 6. — С. 79-86. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142784 621.331:621.311.4:621.314.632 Розглянуті схемотехнічні рішення основних вузлів системи електротягового забезпечення (тягового електропостачання) метрополітенів з повздовжньою високовольтною лінією живлення постійного струму. Показано, що при їх використанні можна суттєво покращити показники технічної досконалості системи електротягового забезпечення метрополітенів. Рассмотренные схемотехнические решения основных узлов системы электротягового обеспечения (тягового электроснабжения) метрополитенов с продольной высоковольтной линией питания постоянного тока. Показано, что при их использовании можно существенно улучшить показатели технического совершенства системы электротягового обеспечения метрополитенов. The paper analyzes circuit solutions for the main blocks of an underground traction power supply system with a longitudinal high-voltage DC supply line. It is shown that their application may significantly improve technical perfection figures of the underground traction power supply system. uk Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричний транспорт Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів An underground traction power supply system of higher efficiency Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів |
| spellingShingle |
Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів Хворост, М.В. Божко, В.В. Електричний транспорт |
| title_short |
Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів |
| title_full |
Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів |
| title_fullStr |
Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів |
| title_full_unstemmed |
Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів |
| title_sort |
система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів |
| author |
Хворост, М.В. Божко, В.В. |
| author_facet |
Хворост, М.В. Божко, В.В. |
| topic |
Електричний транспорт |
| topic_facet |
Електричний транспорт |
| publishDate |
2006 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Електротехніка і електромеханіка |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
An underground traction power supply system of higher efficiency |
| description |
Розглянуті схемотехнічні рішення основних вузлів системи електротягового забезпечення (тягового електропостачання) метрополітенів з повздовжньою високовольтною лінією живлення постійного струму. Показано, що при їх використанні можна суттєво покращити показники технічної досконалості системи електротягового забезпечення метрополітенів.
Рассмотренные схемотехнические решения основных узлов системы электротягового обеспечения (тягового электроснабжения) метрополитенов с продольной высоковольтной линией питания постоянного тока. Показано, что при их использовании можно существенно улучшить показатели технического совершенства системы электротягового обеспечения метрополитенов.
The paper analyzes circuit solutions for the main blocks of an underground traction power supply system with a longitudinal high-voltage DC supply line. It is shown that their application may significantly improve technical perfection figures of the underground traction power supply system.
|
| issn |
2074-272X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142784 |
| citation_txt |
Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів / М.В. Хворост, В.В. Божко // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 6. — С. 79-86. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT hvorostmv sistemaelektrotâgovogozabezpečennâpídviŝenoíefektivnostídlâmetropolítenív AT božkovv sistemaelektrotâgovogozabezpečennâpídviŝenoíefektivnostídlâmetropolítenív AT hvorostmv anundergroundtractionpowersupplysystemofhigherefficiency AT božkovv anundergroundtractionpowersupplysystemofhigherefficiency |
| first_indexed |
2025-11-26T00:08:33Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:08:33Z |
| _version_ |
1850593021671768064 |
| fulltext |
Електричний транспорт
Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6 79
УДК 621.331:621.311.4:621.314.632
СИСТЕМА ЕЛЕКТРОТЯГОВОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПІДВИЩЕНОЇ
ЕФЕКТИВНОСТІ ДЛЯ МЕТРОПОЛІТЕНІВ
Хворост М.В., к.т.н., доц.
ДП "Харківський метрополітен"
Україна, 61012, Харків, вул. Енгельса, 29
тел. (057) 730-35-96
Божко В.В.,
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Україна, 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПІ", каф. "Електричний транспорт та тепловозобудування"
тел. (057) 706-63-67
Розглянуті схемотехнічні рішення основних вузлів системи електротягового забезпечення (тягового електропоста-
чання) метрополітенів з повздовжньою високовольтною лінією живлення постійного струму. Показано, що при їх
використанні можна суттєво покращити показники технічної досконалості системи електротягового забезпечення
метрополітенів.
Рассмотренные схемотехнические решения основных узлов системы электротягового обеспечения (тягового элек-
троснабжения) метрополитенов с продольной высоковольтной линией питания постоянного тока. Показано, что
при их использовании можно существенно улучшить показатели технического совершенства системы электротяго-
вого обеспечения метрополитенов.
1. АНАЛІЗ СТАНУ ПРОБЛЕМИ І ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ
Аналіз робіт [1, 2] показує, що в якості технічної
досконалості системи електротягового забезпечення
(тягового електропостачання) метрополітенів щодо
витрат енергетичних, матеріальних і трудових ресур-
сів в процесі експлуатації можуть бути прийняті:
– коефіцієнт потужності споживаємої із зовнішньої
електромережі електроенергії, λ = P1 / S1 (де Р1, S1 ак-
тивна і повна споживаєма потужність відповідно);
– коефіцієнт рівномірності навантаження зовнішньої
енергомережі, g = P1max
/ P1cp (де P1max, P1cp – відповідно
максимальна і середня активні потужністі, споживаємі
від зовнішньої енергомережі у робочому циклі);
– коефіцієнт стабільності напруги живлення метропо-
їздів при коливаннях напруги у зовнішній енергоме-
режі і навантаження у тяговій мережі, χ = UTmin / UTmax
(де UTmin, UTmax – відповідно мінімальна і максимальна
робочі напруги в тяговій мережі);
– коефіцієнт корисної дії системи електротягового
забезпечення ηε = Pd / P1 (де dP – віддаваєма тяговою
мережею потужність);
– коефіцієнт корисного використання енергії рекупе-
рації, яка поступає в тягову мережу від гальмуючих
метропоїздів при відсутності в мережі споживачів,
ηpek = Ac / Ap (де Ас, Ар – відповідно частина енергії
рекуперації, яка поступає у зовнішню енергомережу
або в накопичувачі енергії та рекуперуєма в тягову
мережу електроенергія);
– коефіцієнт зниження інтенсивності руху метропоїздів
на лінії при одинарних відмовах в системі електротяго-
вого забезпечення, Z = M / MN (де М, МN – відповідно
поточна (при виникненні відмови) і номінальна (розра-
хункова) кількість пар метропоїздів на годину на лінії);
– клас експлуатаційної надійності системи електротягово-
го забезпечення, який пов’язаний з нормативними термі-
нами служби системи електротягового забезпечення.
В ідеальному випадку наведені показники на-
ближають до свого абсолютного значення, а це для
показників λ, g, χ, ηε, ηpek, Z є одиниця, а для класу
експлуатаційної надійності – абсолютний клас, тобто
не більше однієї відмови за нормативний термін до
капітального ремонту при прийнятій системі техніч-
ного обслуговування і поточного ремонту.
Для традиційної структури системи тягового
електрозабезпечення вітчизняних метрополітенів, яка
будується по децентралізованому принципі на основі
підземних тягово-понижуючих підстанцій, перетво-
рювальні агрегати яких виконуються на базі шестипу-
льсних схем діодних випрямлячів і баластних резис-
торів для прийому збиткової енергії рекуперації [1, 3]
показники технічної досконалості є далеким від абсо-
лютних показників [4]. Так стосовно систем тягового
електрозабезпечення ліній ДП "Харківський метропо-
літен" показники технічної досконалості, за винятком
коефіцієнта зниження інтенсивності руху метропоїздів
(Z = 1) при одинарних відмовах, є, на погляд авторів,
дуже низьким, а саме λ ≤ 0,9 ÷ 0,92; ηε ≤ 0,9; g ≥ 1,65;
χ = 0,564; ηpek = 0 та відносний клас експлуатаційної
надійності, а це більш однієї відмови в процесі екс-
плуатації за термін служби до капітального ремонту
лімітуючого вузла-тягово-понижуючих підстанцій.
Подальше технічне удосконалення систем тягового
електрозабезпечення метрополітенів потребує пошуки
нових, нетрадиційних підходів до побудови дії структу-
ри, так і силових схем силових вузлів. Одним з таких
підходів щодо структури тягового електрозабезпечення
метрополітенів є перехід на структуру на базі високово-
льтної повздовжньої лінії живлення постійного струму
[5–7]. Стосовно нових ліній метрополітенів, найбільш
доцільною з точки зору можливостей суттєвого покра-
щення показників технічної досконалості тягового елек-
трозбереження є структура на основі двопровідної висо-
ковольтної лінії живлення постійної напруги 12 кВ (ПЛ)
наземних тягових підстанцій глибокого вводу (НГТП),
які розміщуються поблизу кінцевих станцій ліній мет-
рополітену підземних пунктів живлення тягової мережі
напругою 1500 В (ППЖ), що розміщуються на кожній із
станцій ліній метрополітена (рис. 1).
Реалізація ж прийнятих для практики викорис-
тання на метрополітенах тягового електрозабезпечен-
ня запропонованої нетрадиційної структури потребує
також нових схемотехнічних рішень щодо побудови
силових схем основних її вузлів: наземних головних
тягових підстанцій та підземних пунктів живлення.
80 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6
ПА
РУ110
(220)кВ
РППЛ
НЕ
+
+
–
–
ПА
РУ110
(220)кВ
РППЛ
НЕ
+
+
–
–
+ – + –
~110(220)кВ ~110(220)кВ
12кВ
Lл
ПЛ
ППЖn ППЖ1
ППЖ2
КР
ПР
1500В
ТМ
+
–
lП
ШВ
ПР
КР
–
РПТМ
ППН
НГТП1 НГТП2
Рис. 1. Структура схеми електротягового забезпечення ліній
метрополітена: НГТП1, НГТП2 – наземні головні тягові
підстанції; ПЛ – повздовжня високовольтна лінія живлення
постійного струму напруги 12 кВ; ППЖі (де і = 1,2,...n) –
підземні пункти живлення тягової мережі (ТМ), КР, ПР –
контактні і поїздні рельси тягової мережі відповідно;
Lл – відстань між кінцевими станціями лінії метрополітену,
поблизу яких розміщаються головні тягові підстанції; ln –
відстань між станціями на лінії, в підземних приміщеннях
кожної з яких розміщені пункти живлення тягової мережі
Так, основною схемотехнічною відмінністю на-
земних головних тягових підстанцій запропонованої
структури тягового електрозабезпечення метрополі-
тена (рис. 1) є, окрім традиційних вузлів: розподільної
установки змінного струму РУ 110 (220) кВ, перетво-
рювального агрегату ПА та розподільного пристрою
постійної напруги РППЛ [3], наявність ще і накопичу-
вача енергії НЕ [8]. Крім цього, пропонується будува-
ти перетворювальні агрегати ПА на основі дванадця-
типульсних схем випрямлячів [9].
Щодо нових, нетрадиційних схемотехнічних рі-
шень стосовно підземних пунктів живлення тягової
мережі ППЖ то їх перетворювачі постійної напруги
ППН повинні по-перш, забезпечувати при мінімаль-
них масо-габаритних показниках і високих енергети-
чних характеристиках можливість двостороннього
обміну енергією проміж повздовжньою високовольт-
ною лінією ПЛ та тяговою мережею ТМ, а по-друге –
не генерувати реактивну потужність і вищі гармонічні
складові струму і напруги.
Резерв в запропонованій схемі тягового електро-
забезпечення доцільно забезпечувати стосовно назем-
них головних тягових підстанцій шляхом установки
на кожній із підстанцій додаткового перетворюваль-
ного агрегата, а стосовно підземних пунктів живлення
тягової мережі шляхом півтораразового запасу їх по-
тужності. При цьому, випадіння з роботи навіть двох
перетворювальних агрегатів на наземних головних
підстанціях та декількох підземних пунктів живлення
(при умові, що проміж двома вибувшими залишають-
ся не менше двох працездатних підземних пунктів
живлення) не приводить до зниження інтенсивності
руху метропоїздів на лінії.
Надання ж функцій комутаційного захисту від
струмів короткого замикання перетворювальним агрега-
там НГТП і перетворювачам постійної напруги ППЖ
сприяє підвищенню надійності їх контактних апаратів.
Всі ці схемотехнічні рішення і дозволять приб-
лизити показники технічної досконалості системи
тягового електрозабезпечення метрополітенів до їх
абсолютних значень. Однак для успішної практичної
реалізації високоефективної системи тягового елект-
розабезпечення на основі повздовжньої високовольт-
ної лінії живлення напруги 12 кВ, необхідно спочатку
вирішити дві науково-технічні задачі, а саме, вибрати
і обгрунтувати найбільш доцільні силові схеми:
– дванадцятипульсного випрямляча, забезпечуючого
стабілізацію напруги в повздовжній лінії при коли-
ваннях напруги в зовнішній енергомережі і наванта-
женнях та його струмовий захист при коротких зами-
каннях в повздовжній лінії;
– накопичувача енергії, забезпечуючого рівномірність
навантаження зовнішньої енергомережі у робочому
циклі метрополітена та прийом збиткової енергії ре-
куперації, яка поступає в повздовжню лінію;
– перетворювача постійної напруги 12 кВ/1,5 кВ, за-
безпечуючого двосторонній обмін енергією проміж
повздовжньою лінією і тяговою мережею, струмовий
захист при коротких замиканнях як в тяговій мережі,
так і в повздовжній лінії та електромагнітну суміс-
ність з боку повздовжньої лінії і тягової мережі.
Над вирішенням цих задач і працюють автори
під керівництвом проф, д.т.н. Панасенко М.В. Далі
будуть наведені деякі результати схемотехнічних роз-
робок в напрямку вирішення вище наведених задач.
2. СИЛОВА СХЕМА ДВАНАДЦЯТИПУЛЬСНОГО
ВИПРЯМЛЯЧА-СТАБІЛІЗАТОРА НАПРУГИ
В якості дванадцятипульсного випрямляча для
перетворювальних агрегатів наземних головних тяго-
вих підстанцій метрополітена найбільш доцільно ви-
користовувати послідовну схему на базі одного тран-
сформатора з первинною і двома вторинними обмот-
ками групи з’єднання 0,1 та двох трифазних мостових
вентильних комутаторів [9], які, в свою чергу, можуть
виконуватися як на діодах, так і на тиристорах [5].
Таким чином, в практиці побудови дванадцяти-
пульсних випрямлячів для метрополітенів з повздов-
жньою високовольтною лінією постійного струму
можуть використовуватися три типи силових схем
дванадцятипульсних випрямлячів:
– діодна послідовна [9];
– тиристорна послідовна [7];
– діодно-тиристорна послідовна [10].
Як у тиристорній, так і діодно-тиристорній схемах
дванадцятипульсних випрямлячів, тиристорні трифазні
мостові комутатори у сталому режимі випрямлення пра-
цюють з кутом управління тиристорами α = 0.
З точки зору коефіцієнтів потужності, корисної
дії, нахилу зовнішньої характеристики ці схеми у ста-
лому режимі роботи є рівноцінними і значно кращими
за шестипульсні схеми випрямлячів [11]. З точки зору
струмового захисту тягових підстанцій при короткому
замиканні у повздовжній лінії то найкращою з цих
схем є тиристорна послідовна схема дванадцятипуль-
сного випрямляча, яка дозволяє сформувати нульову
напругу на боці випрямленої напруги шляхом перево-
ду одного тиристорного комутатора в інверторний
режим за рахунок збільшення кута управління його
Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6 81
тиристорами α до величини π–β (де β – кут випере-
дження ввімкнення тиристорів, забезпечуючий стійке
інвертування), а другого – у випрямляючий режим з
кутом управління його тиристорами α = β і тим самим
реалізувати безконтактний струмовий захист.
Регулювання вихідної напруги необхідне також і
при стабілізації напруги при коливаннях навантажен-
ня і напруги зовнішньої мережі, а це, як відомо, може
бути реалізовано за рахунок регулювання кута управ-
ління тиристорами α в тиристорах мостових комута-
торах. При цьому, в якості випрямлячів-стабілізаторів
напруги можна використовувати як тиристорну, так і
діодно-тиристорну послідовну схеми дванадцятипу-
льсних випрямлячів. Однак, цей режим їх роботи
обумовлює погіршення коефіцієнта потужності і гар-
монічного складу мережевого струму та випрямленої
напруги, що, в свою чергу, для зняття цього питання,
потребує прийняття дуже складних і затратних захо-
дів по компенсації реактивної потужності, формуван-
ню синусоїдальної форми мережевого струму та філь-
трації випрямленої напруги [12, 13].
Відомий також спосіб стабілізації напруги на ши-
нах тягових підстанцій з шестипульсними діодними
випрямлячами [13, 14], який полягає у використанні
вольтододаткового перетворювача, а саме, тиристорно-
го трифазного мостового випрямляча, включаємого
послідовно з діодним випрямлячем і працюючого з
кутом управління тиристорами в межах від 0 до π – β.
Цей спосіб дозволяє підвищувати вихідну випрямлену
напругу діодного випрямляча при переводі вольтодо-
даткового перетворювача у режим випрямлення
(0≤α≤π) і понижувати при переводі вольтододаткового
перетворювача в режим інвертування (π ≤ α ≤ π–β). Цей
спосіб є доцільним і при стабілізації вихідної випрям-
леної напруги в діодно-тиристорних дванадцятипульс-
них випрямлячах послідовного типу [15].
В основному випрямлячі перетворювального аг-
регату головної тягової підстанції (рис. 2, а,б), а саме,
діодно-тиристорному випрямлячі, один з двох трифа-
зних мостових комутаторів виконується на одноопе-
раційних тиристорах із звичайним фазовим управлін-
ням, який працює в сталому режимі при α = 0, а дру-
гий – на діодах. У вольтододатковому перетворювачі
трифазний мостовий комутатор (середній на рис. 2,
а,б) виконується або на одноопераційних тиристорах з
фазним управлінням (рис. 2,а), або на двохоперацій-
них тиристорах з однополярною широтно-імпульсною
модуляцією (ШИМ) (рис. 2, б).
Ці перетворювальні агрегати можуть працювати
в двох основних режимах: сталому (тривалому) та
режимі струмообмеження (короткочасному). В режи-
мі струмообмеження, який наступає, наприклад при
короткому замиканні в повздовжній лінії постійного
струму, вступає в дію фазове управління тиристорної
частини напівкерованого основного дванадцятипуль-
сного випрямляча, що обумовлює перехід в інвертор-
ний режим з вихідною напругою близькою до вихід-
ної напруги діодної частини і зустрічно до цеї направ-
леної. Так як по умові недопущення перекидання ін-
вертора необхідно забезпечувати кут випередження β
в тиристорній частині дванадцятипульсного випрям-
ляча, то за допомогою реверсивного вольтододатка і
створюється недостаюча частина зустрічної напруги.
В результаті цього на виході перетворювального агре-
гата буде нульова напруга, що і необхідно при органі-
зації безконтактного струмового захисту.
+
L
С
Ud
–
U∂
Ud2
Ud1
~110
(220)кВ Т
~110
(220)кВ Т
L
С
U∂
Ud2
Ud1
Ud
а) б)
–+
Рис. 2. Два варіанта перетворювального агрегату головної
тягової підстанції з вихідним LC – фільтром: а) з
вольтододатком на одноопераційних тиристорах з фазовим
управлінням; б) з вольтододатком на двохопераційних
(запираємих) тиристорах з однополярною
широтно-імпульсною модуляцією
Основна ідея запропонованого способу стабіліза-
ції вихідної напруги в напрямку збереження на достат-
ньо високому рівні (та навіть деякого підвищення) ко-
ефіцієнта потужності живлячої мережі перетворюваль-
ного агрегату на основі дванадцятипульсної напівкеро-
ваної (діодно-тиристорної) схеми випрямляча з ревер-
сивним вольтододатком значно меншої потужності чим
основний випрямляч полягає у тому, що у вольтодода-
тку використовується повний діапазон управління ти-
ристорами в межах від 0 до π, а в той час, як при відсу-
тності вольтододатка в напівкерованій схемі, працюю-
чій в режимі стабілізації напруги, використовується
лише початкова зона цього діапазону в тиристорній
частині половинної потужності від всього напівкерова-
ного випрямляча, супроводжуєма великим споживан-
ням реактивної потужності із живлячої мережі.
Модифікації схеми перетворювальних агрегатів
на основі діодно-тиристорних дванадцятипульсних
випрямлячів з реверсивним вольтододатком дещо
відрізняються по величині коефіцієнта потужності та
вартості в залежності від типу тиристорів вольтодода-
тка. В більш дешевому варіанті схеми, а це схема діо-
дно-тиристорного дванадцятипульсного випрямляча з
реверсивним вольтододатком на одноопераційних
тиристорах (рис. 2,а) коефіцієнт потужності дещо
менший в порівнянні з базовою схемою діодно-
тиристорного випрямляча без вольтододатка, працю-
ючого в режимі випрямлення при куті управління
тиристорами в тиристорному комутаторі α = 0. В
більш дорожчому варіанті схеми, тобто при введенні
в схему перетворювального агрегата вольтододатка на
двохопераційних тиристорах (рис. 2,б), коефіцієнт
потужності не тільки можливо не погіршувати, але
при деякому збільшенні установленої потужності во-
льтододатка його можна підвищити практично до
одиниці за рахунок генерації реактивної потужності
зсуву зустрічного знаку. Розрахунки показують, що
основний діодно-тиристорний дванадцятипульсний
випрямляч, працюючий з кутом α = 0 та напругою
короткого замикання трансформатора 10%, генерує
відносну потужність скривлення 0,15 та реактивну
потужність 0, 22. При використанні вольтододатка на
двохопераційних тиристорах для випадку запаса по
діапазону регулювання напруги ΔU* = 0,25 результу-
юча потужність скривлення практично не змінюється,
а реактивна потужність знижується до 0,13. Отже,
82 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6
результуючий коефіцієнт потужності підвищується до
величини λ = 0,98, що відповідає Євростандартам на
якість споживаємої електроенергії. Фактично, вели-
чина λ буде вищою і складе десь близько 0,99, оскіль-
ки залишкова реактивна потужність (а це десь біля
13%) практично повністю компенсується конденсато-
рами вхідного фільтра вольтододатка [10].
Принципово двохопераційний вольтододаток до-
зволяє компенсувати не тільки реактивний струм ос-
новної гармоніки, але й вищі гармоніки струму, ство-
рювані основним перетворювачем. Але, це потребує
більш суттєвого збільшення установленої потужності
вольтододатка, оскільки амплітудні величини першої та
вищих гармонік складаються вже не квадратично, як для
активної та реактивної складових потужностей однієї і
тієї частоти, а в першому наближенні лінійно [10].
Вольтододаток на двохопераційних тиристорах
значно спрощує також фільтрацію вищих гармонік на-
пруги на виході і, тим самим, зменшує розміри вихідно-
го LC-фільтра в порівнянні з LC-фільтрром основного
діодно-тиристорного дванадцятипульсного випрямляча,
працюючого в режимі стабілізації напруги [10].
Ці позитивні чинники і говорять на користь схе-
ми перетворювального агрегата на основі діодно-
тиристорного дванадцятипульсного випрямляча з ре-
версивним вольтододатком на двохопераційних тири-
сторах (рис. 2,б) стосовно використання на головних
тягових підстанціях метрополітенів з повздовжньою
лінією живлення.
Щодо коефіцієнта корисної дії перетворюваль-
ного агрегата на основі діодно-тиристорного дванад-
цятипульсного випрямляча з реверсивним вольтодо-
датком на двохопераційних тиристорах, то тут треба
відмітити наступне.
Як показують розрахунки при потужності перет-
ворювального агрегата 16000 кВт, напрузі у повздов-
жній лінії 12 кВ, використанні в ключах основного
випрямляча: діодному комутаторі діодів типу Д133-
630-32 (по п’ять послідовно з’єднаних діодів в ключі)
та тиристорному комутаторі тиристорів типу Т163-
630-50 (по чотири послідовно з’єднаних тиристорів в
ключі) та в ключах комутатора вольтододатка двохо-
пераційних тиристорів типу ТЗ 373-2000-50 (одновен-
тильні ключі) сумарні втрати потужності в напівпро-
відниковій частині перетворювача складають всього
0,4% від потужності агрегата, тобто приблизно 62
кВт. Маючи на увазі, що тягові трансформатори по-
тужністю 16000 кВт і вище проектуються на коефіці-
єнт корисної дії не нижчий за 0,99 [5], а одноланкові
LC-фільтри некерованих дванадцятипульсних випря-
млячів тягових підстанцій мають також коефіцієнт
корисної дії на рівні 0,99 [9], то перетворювальні аг-
регати на основі однотрансформаторного діодно-
тиристорного дванадцятипульсного випрямляча з ре-
версивним вольтододатком на двохопераційних тири-
сторах при потужності 16000 кВт і вище мають кое-
фіцієнт корисної дії не нижчий за 0,98.
Важливим позитивним чинником головних тяго-
вих підстанцій є також їх живлення по схемі глибоко-
го вводу від енергомережі 110 (220) кВ, що дозволяє
звести на нівець вплив системи тягового електрозабе-
зпечення метрополітенів на міську систему електро-
постачання. Вирішення ж задач по забезпеченню рів-
номірності струмонавантаження зовнішньої енерго-
мережі у добовому циклі роботи метрополітена та
корисного використання збиткової енергії рекуперації
потребує дооснащення головних тягових підстанцій
накопичувачами електроенергії.
3. СИЛОВА СХЕМА НАДПРОВІДНОГО
НАКОПИЧУВАЧА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ
Функціями накопичувачів енергії головних тяго-
вих підстанцій метрополітенів є накопичування елек-
троенергії в часи їх низького енергонавантаження та
при наявності у повздовжній лінії живлення збиткової
енергії рекуперації, а також передача накопиченої
енергії у повздовжню лінію в години пікового зрос-
тання пасажиропотока і графіка руху метропоїздів.
Принципово, для роботи в системах тягового
електрозабезпечення можливе використання чотирьох
типів накопичувачів енергії: ємнісного, електрохіміч-
ного, електромеханічного та надпровідного індуктив-
ного [16]. При цьому, стосовно метрополітенів, най-
більш ефективним накопичувачем електроенергії є
надпровідний індуктивний накопичувач [17], основ-
ними перевагами якого є:
– зростання відносної енергоємності при збільшенні
абсолютного значення запасаємої енергії;
– широкий діапазон зміни часу робочого графіку, а
також дуже "тонке" реагування на зміну графіку на-
вантаження;
– висока частина енергії обміну в загальному об’ємі
накопиченої енергії;
– низькі втрати енергії при її збереженні і високий
коефіцієнт корисної дії.
Силова схема надпровідного накопичувача енергії
(рис. 3) складається із надпровідної частини (НЧ) на
основі надпровідної котушки індуктивності L, в магні-
тному колі якої і накопичується енергія і надпровідно-
го ключа К для забезпечення довготривалого збере-
ження накопиченої в котушці енергії та перетворюва-
льної частини (ПЧ) на основі оборотного широтно-
імпульсного перетворювача (ШІП) знакозмінної на-
пруги, забезпечуючого перетоки електроенергії проміж
надпровідною катушкою і повздожньою лінією жив-
лення постійного струму (ПЛ). Надпровідний накопи-
чувач енергії підключається безпосередньо до фільтро-
вого конденсатора С перетворювального агрегату.
L +
–
+ ПЧ(ШІП)
S1
S2 Д1
Д2
НЧ
К
iL
Ud ПЛ С
Рис. 3. Силова схема надпровідного накопичувача енергії:
S1, S2 та Д1, Д2 – відповідно силові керовані (тиристорні
або транзисторні) і некеровані (діодні) одноквадрантні
ключі у складі ШІП; К – надпровідниковий ключ для
шунтування, L – надпровідна котушка у складі НЧ, іL –
струм надпровідної котушки, Ud – напруга живлення по-
вздовжньої лінії (напруга на фільтровому конденсаторі Сd)
Даними при проектуванні надпровідникової коту-
шки є її індуктивність L і значення струму iL = Im при
розрахунковій максимальній енергетичній ємності ко-
тушки Wmax. Прийняття завишеного значення струму iL
позитивно позначається на масо-габаритних показниках
Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6 83
надпровідної котушки, так як у цьому випадку її проек-
тують на меншу індуктивність. Однак таке рішення мо-
же бути неприйнятним з боку широтно-імпульсного
перетворювача знакозмінної напруги із-за недопустимо-
го струмового навантаження його ключів.
Раціональний вибір параметрів L і Im надпровід-
ної котушки є окремою науково-технічною задачею і
ця задача в рамках даної роботи не розглядається. В
подальшому розглянемо тільки можливість практич-
ної реалізації надпровідникової котушки потрібної
для метрополітенів енергоємності.
Розрахункова максимальна енергетична ємність
надпровідникової котушки повинна задовільняти умові:
Wmax ≥ W0 + WMO + ∆W, (1)
де W0 і WMO – відповідно енергія обміну і "мертвого
об’єму" які визначаються із добового графіка наван-
таження лінії метрополітена [17]; ∆W – втрати енергії
за термін її зберігання.
Виконані розрахунки стосовно Олексіївської лі-
нії ДП "Харківський метрополітен" показують, що
для приведення ранкового і вечірнього піків спожива-
ємої потужності до середньодобового споживання
необхідний накопичувач енергії з величиною обмін-
ної енергії W0 ≈ 2,9·109Дж [17]. Враховуючи кількісні
показники щодо частки енергії обміну W0 в загально-
му об’ємі накопиченої енергії надпровідникової ко-
тушки Wmax, втрат енергії W при її зберіганні [17], а
також порівняно високий коефіцієнт корисної дії (не
нижчий від 0,97) напівпровідникового високовольт-
ного перетворювача, забезпечуючого передачу енергії
від надпровідної котушки до повздовжньої лінії оде-
ржуємо величину розрахункової енергетичної ємності
надпровідникової котушки:
Wmax ≥ 3·109Дж. (2)
У відомому авторам проекті [18] щодо надпровід-
никового накопичувача енергії для тягового електропос-
тачання високошвидкісних поїздва MAGLEV (Vmax ≥
500 км/год) йде мова про можливість практичної реалі-
зації надпровідної котушки з розрахунковою максима-
льною енергетичною ємністю на 20,6 106 Дж.
Отже жодних заперечень щодо можливості прак-
тичної реалізації надпровідної котушки для накопи-
чувачів енергії головних тягових підстанцій метропо-
літенів з повздовжньою лінією живлення на сьогодні
вже не має.
Не менш важливою інженерною задачею в на-
прямку створення надпровідного накопичувача енер-
гії для метрополітенів, окрім створення надпровідної
котушки, є задача практичної реалізації високовольт-
ного перетворювача.
Практична ж реалізація високовольтного оборо-
тного ШІП знакозмінної напруги для надпровіднико-
вих накопичувачів метрополітенів з повздовжньою
лінією живлення постійного струму в основному зво-
диться до побудови з урахуванням досягнень силової
електроніки силових керованих ключів, які представ-
ляють собою послідовно-паралельне з’єднання одно-
вентильних керованих одноквадрантних ключів (тра-
нзисторних або тиристорних).
Щодо комутаційних структур оборотного ШІП
знакозмінної напруги (рис. 3), то вони представляють
собою класичні двофільтрові структури з притаман-
ними їм негативними вадами:
– великими амплітудами крізних струмів при ввімк-
ненні керованих ключів та їх противофазні діоди [19];
– примусовою комутацією керованих ключів як при їх
ввімкненні, так і при їх вимиканні [20];
– великими труднощами щодо реалізації послідовно-
паралельного з’єднання керованих ключів.
Універсальним способом обмеження амплітуди
крізних струмів, обумовлених запізнюванням віднов-
лення блокуючих властивостей діода, є зниження
швидкості наростання струму у вмикаємому керова-
ному ключі шляхом включення в коло протікання
крізного струму лінійної індуктивності [19]. Цей шлях
потребує прийняття спеціальних схемних засобів (як
правило, у вигляді RД-ланцюгів, шунтуючих індукти-
вностей) по розсіюванню енергії накопичуваної в лі-
нійній індуктивності при перериванні струму і приво-
дить до додаткових втрат [21]. При використанні в
якості керованих напівпровідникових приладів – тра-
нзисторів, обмеження швидкості наростання струму
при їх вмиканні можна зробити шляхом зниження
швидкості наростання керуючого сигналу [19]. Цей
спосіб суттєво підвищує комутаційні втрати потужно-
сті при ввімкнені транзисторів [19, 21].
Щодо примусової комутації керованих напівпро-
відникових приладів ключів, то при великих потуж-
ностях оборотного ШІП переходять до їх природної
комутації шляхом використання пристроїв комута-
ційного захисту – снаберів: RLД-снаберів для забез-
печення природної комутації при ввімкненні та RCД-
снаберів для забезпечення природної комутації при
вимиканні [20]. Однак наявність в ключі снаберів хо-
ча і забезпечує природну комутацію його напівпрові-
дникових керованих приладів, але не змінює характер
комутації щодо всього ключа. Примусова комутація
ключа з снаберами супроводжується накопиченням
енергії в їх реактивних елементах, а це створює суттє-
ву проблему по її розсіюванні або виведенні. При ви-
соких частотах ця проблема виходить на перше місце
з точки зору втрат потужності в ключі і її зняття пот-
ребує застосування нетрадиційного підходу, а саме,
використання вузлів однорідної комутації для реалі-
зації природної комутації ключів [22].
Реалізація природної комутації керованих ключів
знімає не тільки проблему розсіювання комутаційної
енергії реактивних елементів, але й проблему послі-
довно-паралельного з’єднання керованих ключів так
як їх ввімкнення і вимикання при природній комутації
виконується при нульовій напрузі на них [23].
4. СИЛОВА СХЕМА ПЕРЕТВОРЮВАЧА
ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ – ЕЛЕКТРОННОГО
ТРАНСФОРМАТОРА ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ
В роботах [5, 6, 24] наведені силові схеми перет-
ворювачів постійної напруги пунктів живлення які
виконані на основі традиційної дуальної структури
електронного трансформатора постійної напруги з
проміжною трифазною ланкою змінного струму про-
мислової частоти (трифазний тиристорний мостовий
автономний інвертор – трифазний трансформатор –
трифазний діодний мостовий випрямляч). Основними
недоліками такої структури є:
– велика установлена потужність електромагнітного
трансформатора проміжної ланки змінного струму;
– велика установлена потужність фільтрового облад-
нання;
– неможливість передачі збиткової електроенергії
рекуперації з тягової мережі у повздовжню лінію пос-
84 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6
тійного струму;
– примусова комутація ключів первинної ланки (авто-
номного інвертора напруги).
Перехід до однофазних структур електронного
трансформатора з проміжною ланкою змінного стру-
му підвищеної частоти дозволяє усунути практично
всі вище наведені недоліки.
Силова схема електронного трансформатора ду-
альної структури з проміжною ланкою однофазного
змінного струму підвищеної частоти і діаграми на-
пруги та струму при випрямляючому режимі роботи
вторинної ланки наведена на рис. 4, а,б.
Силова схема однофазного електронного транс-
форматора дуальної структури (рис. 4,а) включає в
себе первинне (високовольтне) джерело напруги UП,
первинну напівпровідникову ланку перетворювача на
основі IH-BC (інвертора напруги – випрямляча стру-
му), наприклад, з напівмостовою схемою вентильного
комутатора і вхідним ємнісним дільником напруги,
трансформатор підвищеної частоти Т в проміжній
ланці змінного струму, вторинну ланку перетворюва-
ча на основі ІС-ВН (інвертора струму – випрямляча
напруги), наприклад, з мостовою схемою вентильного
комутатора, вихідний фільтр Lв і вторинне (низьково-
льтне) джерело напруги Uв.
Зміна напрямку потока енергії в схемі рис. 4, а від-
бувається за рахунок зміни напрямку струмів в джерелах
напруги UП і Uв. Ця обставина і дозволяє первинну лан-
ку перетворювача виконувати на традиційних для інвер-
торів напруги двохквадрантних ключах знакозмінного
струму. Щодо вторинної ланки перетворювача, то для
неї потрібні вже чотириквадрантні ключі.
+
–
+
–
+
– –
+
+
–
+
–
UП
Сd
Сd
VT1
VT2
VД1
VД2
U1
VS2
VS4
VS6
VS8
U Uв
i1
iв
VS1 VS5
VS3 VS7
а)
б) i
ωt
Ө0 Ө1
β α
i1
U1
Т
LвІС-ВН ІН-ВС
VS6
Рис. 4. Силова схема електронного трансформатора
дуальної структури (а) і діаграми напруги та струму при
випрямляючому режимі роботи вторинної ланки (б)
При напрямку потока енергії зліва на право (ре-
жим тяги) первинна ланка перетворювача діє як ін-
вертор, формуя на обмотках трансформатора напругу
прямокутної форми (рис. 4, б). Вторинна ланка перет-
ворювача функціонує при цьому як традиційний ви-
прямляч з фазним управлінням по куту α. При зміні
напрямку потока енергії (режим рекуперативного га-
льмування) вторинна ланка стає веденим інвертором,
а первинна ланка переходить у випрямляючий режим.
Основним позитивом цієї схеми є те, що її можна
використовувати без суттєвого погіршення характе-
ристик при мінливому співвідношенні проміж напру-
гами джерел живлення. Це дозволяє виконувати не
тільки стабілізацію, але й упереджуюче регулювання
напруги живлення тягової мережі і отже, покращити
коефіцієнт стабільності напруги в повздовжній висо-
ковольтній лінії живлення.
Не менш важливою позитивною властивістю цієї
схеми є також те, що в ній може бути організована так
називаєма однорідна комутація ключів, при якій в
первинній ланці перетворювача примусовим є тільки
вимикання, ввімкнення ж є природним, а у вторинній
ланці перетворювача навпаки: вимикання є природ-
нім, ввімкнення ж є примусовим. Це дозволяє спрос-
тити снабери комутаційного захисту і процес відве-
дення накопиченої в них енергії і тим самим реалізу-
вати більш простіше "м’яку" (повну природну) кому-
тацію ключів.
Однак, залишкові комутаційні проблеми в схемі
електронного трансформатора дуальної структури які
пов’язані з комутаційними операціями, що викону-
ються примусово, ведуть до зниження допустимої
частоти перемикань ключів і отже, до зниження час-
тоти проміжної ланки. Від останнього безпосередньо
залежать маса і втрати енергії в силових електромаг-
нітних елементах електронного трансформатора.
Ці та інші недоліки силової схеми електронного
трансформатора дуальної структури [23] і обумовлю-
ють подальший пошук більш ефективних їх структур.
Одним з перспективних схемних рішень у напря-
мку покращення техніко-економічних характеристик
електронного трансформатора є перехід до однорідної
структури електронного трансформатора з однофазною
проміжною ланкою підвищеної частоти [23].
На рис. 5 наведена схема електронного трансфо-
рматора однорідної структури, орієнтована на вико-
ристання частотного управління. Вона будується на
основі ІН-ВС (інвертора напруги – випрямляча стру-
му), оскільки при цьому силові фільтри починаються
з конденсаторів, що дозволять або зовсім відмовитися
від дроселів, або багатократно понизити їх установле-
ну потужність.
+
–
+
–
+
– –
+
UП
Сd
Сd
U1 Uв
i1 Т
(ІН-ВС)н iн
СвU2
1 3 5
2 4 6
Ld (ІН-ВС)в
Рис. 5. Силова схема електронного трансформатора
однорідної структури
Схема рис. 5 включає в себе два джерела постій-
ної напруги UП і Uв, які умовно можна назвати джере-
лом високої напруги (UП = 12 кВ) і низької наруги
(Uв= 1,5 кВ). На боці високої напруги є напівмостовий
інвертор (ІН-ВС)в з пасивним LdCd –фільтром, на боці
низької напруги – мостовий (ІН-ВС)н з ємнісним філь-
тром Св. В проміжній ланці змінного струму є включе-
ний електромагнітний трансформатор з дещо підвище-
ним індуктивним опором розсіювання x* = (15 – 25)%.
Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6 85
Ємності вхідного дільника Сd створюють разом з ін-
дуктивністю розсіювання послідовний контур з резо-
нансною частотою, співпадаючою з номінальною час-
тотою проміжної ланки. Пунктирний прямокутник в
позначенні ключів високовольтного (ІН-ВС)в вказує
на те, що ключ може виконуватися як послідовно-
паралельне з’єднання одновентильних ключів (моду-
лів) і можливо, із спеціальним відсікаючим ємнісним
снабером [23]. В низьковольтному (ІН-ВС)н ключові
елементи 3 – 6 кожного із плеч будуються на однове-
нтильних двохопераційних ключах знакозмінного
струму (зустрічно-паралельне з’єднання транзистора і
діода без снабера). Роль індуктивного снабера для
забезпечення природної їх комутації при ввімкненні
виконує індуктивність розсіювання трансформатора
проміжної ланки змінного струму.
Приймаємо, що поток потужності є направлений
від високовольтного джерела UП до низьковольтного
джерела Uв, тобто інвертором працює високовольтна
ланка (ІН-ВС)в, а випрямлячем – низьковольтна ланка
(ІН-ВС)н.
На рис. 6, а показаний струм і1 в режимі коротко-
го замикання (Uв=0), на рис. 6,б – при проміжному
значенні Uв, на рис. 6, в і рис. 6,г – в номінальному
режимі Uв = UвN . Як бачимо, в схемі електронного
трансформатора, передбачається обмеження ампліту-
ди струму і1 на рівні іk.
Ключі інвертора високовольтної ланки (ІН-ВС)
працюють в цьому режимі з природною комутацією при
ввімкненні (при нульовому струмі в момент t0) і приму-
совою комутацією при вимиканні (момент t1) з виходом
на природний режим вимикання в номінальному режимі
при відсутності ємнісного снабера (рис. 6,г)
При наявності ємнісного снабера управління
схемою при зміні струму навантаження виконується
таким чином, щоб забезпечувався мінімально необ-
хідний струм ікm для перезаряда ємності снабера (рис.
6, в). Для цього точка комутації t1 по мірі зниження
струму навантаження спочатку зміщується вліво до
тих пір поки вона не співпаде з моментом досягнення
амплітудного значення струму і1, а потім схема пере-
ходить у преривчастий режим роботи по струму. Пе-
ріод повторяємості ТП складається при цьому з робо-
чого такту Т, який є періодом відповідного безперер-
вного граничного режиму (рис. 6,б) і безструмової
паузи tП, на протязі якої індукція в осерді трансфор-
матора Т зберігає постійне значення, рівне негативній
залишковій індукції. Утримання постійного значення
негативної індукції відбувається у зв’язку з тим, що
на інтервалі паузи фільтровий конденсатор Св розря-
джається струмом навантаження. Тому за рахунок
більшої різниці первинної напруги U1 і приведеної
вторинної напруги 2U ′ величина струму переключен-
ня іkm досягається на позитивній хвилі струму і1 шви-
дше, чим на негативній. По цій причині негативний
приріст індукції на робочому такті стає декілька бі-
льшим у порівнянні з позитивним.
а)
t0 t1
iк
в)
t0 Т
t1
б)
ik
г)
ikm
t1 t0
t0 t1
Рис. 6. Струм і1 при різних значеннях напруги на виході
перетворюючої ланки, працюючої випрямлячем
Із преривчатого режима роботи відбувається і
зміна напрямку потока потужності. Система керуван-
ня контролює дві позиції вихідної напруги Uв: нижню
Uвн і верхню Uвв. Різниця проміж цими позиціями
приймається дещо більшою у порівнянні з прирістом
напруги на конденсаторі Св на робочому такті.
При досягненні нижньої позиції Uвн починається
черговий робочий такт включення транзистора у ви-
соковольтній ланці, що приводить до підзарядки кон-
денсатора Св. Якщо ж струм навантаження змінив
свій напрямок і на конденсаторі досягнута верхня по-
зиція Uвв, то вмикається транзистор у низьковольтній
ланці перетворювача, що веде до розряду конденсато-
ра Св і так дальше.
Відмітимо також, що використання в силовій схемі
електронного трансформатора ємнісного відсікаючого
снабера високовольтної ланки окрім підвищення надій-
ності роботи ключів дозволяє також виконувати в схемі
плавне регулювання напруги Uв в невеликих межах.
Останнє і робить можливим використання електронних
трансформаторів однорідної структури на підземних
пунктах живлення тягової мережі метрополітенів з по-
вздовжньою лінією живлення для яких при стабілізації
напруги живлення повздовжньої лінії не потрібне широ-
ке регулювання напруги живлення тягової мережі з ме-
тою стабілізації в ній напруги.
Таким чином, на підземних пунктах живлення
тягової мережі метрополітенів з повздовжньою висо-
ковольтною лінією в якості перетворювача постійної
напруги (ППН) 12 кВ/1,5 кВ доцільно використовува-
ти оборотний електронний трансформатор постійної
напруги однорідної структури з проміжною ланкою
однофазного змінного струму підвищеної частоти. Це
дозволяє не тільки покращити техніко-економічні
характеристики перетворювача постійної напруги у
порівнянні з перетворювачем на основі оборотного
електронного трансформатора дуальної структури,
але й вирішити задачу стабілізації напруги живлення
тягової мережі на рівні 1,5 кВ при коливаннях наван-
таження повздовжньої лінії, задачу струмового захис-
ту при коротких замиканнях як в тяговій мережі, так і
в повздовжній лінії та задачу передачі всієї рекуперу-
ємої енергії на любому із міжстанційних перегонів у
повздовжню лінію, де вона або передається на інші
міжстанційні перегони з тяговим навантаженням не
зважаючи на відсутність наскрізного з’єднання зон
живлення контактного рельса, або в надпровідні на-
копичувачі енергії наземних головних тягових підста-
нцій. Вирішення останньої задачі і дозволяє довести
коефіцієнт корисного використання енергії рекупера-
ції практично до одиниці при любому графіку руху
метропоїздів.
Щодо коефіцієнта корисної дії електронного
трансформатора 12 кВ/ 1,5 кВ то розрахунки показу-
ють, що при потужності електронного трансформато-
ра однорідної структури 4,5 МВт і частоті струму
проміжної ланки 1000 Гц він для тягового режима
складає близько 0,99. Складові втрати потужності в
електронному трансформаторі при цьому розподіля-
ються слідуючим чином:
– в електромагнітному трансформаторі втрати на рівні
10 кВт;
– в напівпровідникових ключах втрати на рівні 17кВт;
– в реактивних елементах фільтрів втрати на рівні
13 кВт.
86 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №6
Ще один позитивний чинник щодо електромагні-
тного трансформатора полягає в тому, що його маса
при потужності 4,5 МВт не перевищує 250 кг.
Однак, радикальний ефект з боку втрат потужно-
сті та маси електромагнітного трансформатора при
підвищенні частоти до 1000 Гц досягається лише за
рахунок використання форсированих способів охоло-
дження, спеціальної конструкції та оптимального
співвідношення проміж втратами потужності в осерді
і котушках трансформатора.
5. ВИСНОВКИ
Наведені схемотехнічні рішення і результати ро-
зрахунків щодо основних вузлів системи електротяго-
вого забезпечення метрополітенів з повздовжньою
лінією живлення та сучасні досягнення перетворюва-
льної техніки, силової електроніки і трансформаторо-
будування дозволяють суттєво покращити показники
технічної досконалості цієї системи, а саме досягти:
– коефіцієнта потужності споживаємої із зовнішньої
енергомережі близькою до одиниці;
– коефіцієнта рівномірності навантаження зовнішньої
мережі близького до одиниці;
– коефіцієнта стабільності напруги живлення метро-
поїздів близького до одиниці;
– коефіцієнта корисної дії не нижчий за 0,9;
– коефіцієнта корисного використання енергії рекупе-
рації близького до одиниці;
– коефіцієнта зниження інтенсивності руху метропої-
здів при одинарних відмовах в системі на рівні оди-
ниці;
– класу експлуатаційної надійності близького до аб-
солютного за рахунок пом’якшення сталих і перехід-
них режимів роботи основних вузлів (використань
струмового безконтактного захисту, природної кому-
тації ключів автономних перетворювачів і т. п.).
ЛІТЕРАТУРА
[1] Колузаев А.М., Едигарян Л.С., Ермолов Д.Г. и др. Элек-
троснабжение метрополитенов. Устройство, эксплуата-
ция и проектирование. – М.: Транспорт, 1977. – 431 с.
[2] Быков Е.И., Панин Б.В., Пунынин В.Н. Тяговые сети
метрополитенов. – М.: Транспорт, 1987. – 256 с.
[3] Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пунынин В.Н., Шалимов М.Г.
Тяговые подстанции. – М.: Транспорт, 1986. – 319 с.
[4] Гаврилов Я.И., Мнацаканов В.А. Вагоны метрополитена
с импульсными преобразователями. – М.: Транспорт,
1986. – 229 с.
[5] Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. –
М.: Транспорт, 2001. – 464 с.
[6] Марикин А.Н. Схемотехника современных тяговых под-
станций постоянного тока и перспективные системы
электроснабжения. // Электрификация и развитие желез-
нодорожного транспорта России. Традиции, современ-
ность, перспективы: Материалы Международного сим-
позиума Eltrans’ 2001, Санкт-Петербург, ПГУПС, 2002.–
С. 147–155.
[7] Хворост Н.В. Концепция новой структуры системы элек-
трической тяги для метрополитена. // Науч.-техн. сбор-
ник "Коммунальное хозяйство городов", вып. 53, Киев,
Техніка, 2003. – С. 172–179.
[8] Шевлюгин М.В. Перспективы использования накопите-
лей энергии в системе тягового электроснабжения элек-
трический железных дорог. // Тезисы докладов Между-
народного симпозиума Eltrans’ 2001, 23–26 октября 2001
г., Санкт-Петербург, ПГУПС, 2001. – С. 43–44.
[9] Барковский Б.С., Магай Г.С., Маценко В.П. и др. Двена-
дцатипульсные полупроводниковые выпрямители тяго-
вых подстанций. – М.: Транспорт, 1990. – 137 с.
[10] Хворост М.В. Підвищення ефективності дванадцятипу-
льсових випрямлячів тягових перетворювальних агрега-
тів метрополітенів з повздовжньою високовольтною ліні-
єю живлення постійного струму. / Інформаційно-керуючі
системи на залізничному транспорті, №3, 2004.–С. 50–54.
[11] Хворост М.В. Базові положення теорії випрямлячів-
стабілізаторів напруги для перетворювальних агрегатів
головних тягових підстанцій метрополітенів з повздовж-
ньою лінією постійного струму. // Научн.-техн. сборник
"Коммунальное хозяйство городов", вып. 60, Киев, Тех-
ніка, 2004. – С. 236–247.
[12] Жемеров Г.Т., Сокол Е.И., Крылов Д.С. и др. Новый
класс преобразователей переменного напряжения в по-
стоянное, электромагнитно совместимых с питающей се-
тью. / Технічна електродинаміка. Тем. випуск "Силова
електроніка та енергоефективність", ч. 1, Київ, 2001.–
С. 3–8.
[13] Бадер М.П. Модернизация и повышение технико-
экономических показателей сглаживающих фильтров тя-
говых подстанций. // Электрификация и развитие желез-
нодорожного транспорта России. Традиции, современ-
ность, перспективы: Материалы Международного Сим-
позиума Eltrans’ 2001, Санкт-Петербург, ПГУПС, 2002. –
С. 164–170.
[14] Соколов С.Д., Бей Ю.М., Гуральник Я.Д., Чаусов О.Г.
Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяго-
вых подстанций. – М.: Транспорт, 1979. – 264 с.
[15] Хворост М.В., Божко В.В. Силові схеми перетворюваль-
них агрегатів головних тягових підстанцій метрополітена
з повздовжньою лінією живлення. // Електротехніка і
Електромеханіка, №1, 2005.– С. 106–109.
[16] Hennig E., Stephanblome T. Speichertechnologien für die
elektrische Energieversorung. / Elektrische Bahnen, №11–12,
2000(98). s. 459–462.
[17] Омельяненко Г.В., Хворост Н.В., Бондаренко В.Е. Нако-
питель энергии для тяговой сети метрополитена. // Віс-
ник НТУ "ХПІ"; №36, Харків, 2005. – С. 47–56.
[18] Shintoni T. Design study of Toroidal 6 M Wh SMES for
Maglev. // Cryogenics, №3, 1994(34). – р. 192–202.
[19] Хворост Н.В. Эксплуатационные характеристики управ-
ляемых полупроводниковых приборов тяговых преобра-
зователей электроподвижного состава. / Інформаційно-
керуючі системи на залізничному транспорті, №2, 2003. –
С. 31–36.
[20] Гончаров Ю.П., Будьонний О.В., Морозов В.Г. та інші.
Перетворювальна техніка. ч. 2, Харків, Фоліо, 2000. –
360с.
[21] Oi Y., Kato S., Kato T., Yajima A., Ujiie A., Takahara E.
IEGT Power Converters for the Shinkansen Tractions Sys-
tems. // T. IEE Japan, vol. 121 – D, №3, 2001. – р. 356 – 362.
[22] Хворост М.В., Гончаров Ю.П., Панасенко М.В. та інші.
Види комутації та енергетичні характеристики в електри-
чних колах з ключовими елементами. / Електротехніка і
Електромеханіка, №4, 2005. С. 67–72.
[23] Хворост Н.В., Гончаров Ю.П., Панасенко Н.В. и др. Об-
ратимый преобразователь для связи двух линий постоян-
ного тока в системе распределенного тягового электро-
снабжения. / Технічна електродинаміка. Тем. випуск
"Проблеми сучасної електротехніки", ч. 6, Київ, 2004. –
С. 99–106.
[24] Самонин А.П., Смирнов Д.Б. Внешняя характеристика
преобразовательного пункта постоянно-постоянного тока
с промежуточным контуром переменного тока. // Элек-
трификация и научнотехнический прогресс на железно-
дорожном транспорте: Материалы второго международ-
ного симпозиума Eltrans’2003. – С. 428–433.
[25] Хворост Н.В., Гончаров Ю.П., Панасенко Н.В. и др. Об-
ратимые трансформаторные преобразователи дуальной
структуры для связи двух источников постоянного тока. /
Технічна електродинаміка. Тем. випуск "Силова електро-
ніка та енергоефективність", ч. 2, Київ, 2005. – С. 9–12.
[26] Iturriz F., Ladoux P. Phase controlled multilevel converters
based on dual structure associations. // IEEE Trans. on power
electronics, v.15, №11, 2000. – р. 92–102.
Надійшла 07.03.2006
|