Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей электроэнергии. Годовое потребление электроэнергии составляет 35 млрд. кВт-ч, около 70% из них идет на электрическую тягу поездов. В этих условиях экономия электроэнергии приобретает большое значение. Одним из важнейших мероприятий по снижению расхода электроэнергии на тягу поездов является рекуперативное торможение, позволяющее возвращать около 2% энергии, используемой на тягу, а на отдельных участках с горным профилем эта величина достигает 20%.
Энергия рекуперации, вырабатываемая ЭПС при рекуперативном торможении, как правило, потребляется ЭПС, находящимся в режиме тяги на этом же участке. При отсутствии такого потребителя избыточная энергия во избежание срыва торможения должна быть принята другим приемником энергии. В качестве такого приемника на тяговых подстанциях применяются инверторные агрегаты, преобразующие постоянный ток в переменный и отдающие энергию в питающую сеть.
Для перевода выпрямительного агрегата, являющегося источником электроэнергии, в инверторный режим потребителя необходимо выполнить четыре условия.
Первое условие инвертирования — изменить полярность преобразовательного агрегата, так как ток от двигателей ЭПС, работающих при рекуперативном торможении в генераторном режиме, не сможет пройти через полупроводниковые тиристоры инвертора в непроводящем направлении (от катода к аноду). Простое же изменение полярности не приведет к переходу инвертора из режима источника энергии в режим ее потребителя. Необходимо выполнить следующее условия.
Второе условие инвертирования — обеспечить запирание тиристоров тех фаз трансформатора, напряжение которых в данный момент положительно относительно подводимого из контактной сети инвертируемого напряжения, и отпирание тиристоров фазы, имеющей наиболее отрицательное напряжение. Для выполнения этого условия необходимо в преобразователе использовать управляемые СПП (тиристоры).
Третье условие инвертирования — правильно отрегулировать момент подачи управляющего импульса на тиристор для его отпирания в момент отрицательной ЭДС на его аноде, но когда эта ЭДС выше, чем на аноде тиристора, заканчивающего свою работу. Переключение тиристоров в этом случае происходит автоматически.
Четвертое условие инвертирования — повысить напряжение фазы трансформатора при работе в инверторном режиме. Это условие вытекает из третьего, так как регулирование момента подачи отпирающего импульса тиристора приводит к снижению среднего напряжения инвертора за период по сравнению со средним напряжением выпрямителя. Так как на подстанции один преобразователь работает в выпрямительном режиме, то он может подпитывать инвертор, имеющий меньшее среднее напряжение, даже при отсутствии рекуперативного торможения. Чтобы уменьшить уравнительные токи в цепи выпрямитель-инвертор тяговой подстанции, устанавливают реакторы, воспринимающие мгновенную разность напряжений выпрямителя и инвертора. В процессе рекуперативного торможения эти реакторы воспринимают разность пульсирующего напряжения инвертора и постоянного без пульсаций напряжения тяговых двигателей в генераторном режиме.
На рис. 1 изображена схема выпрямительно-инверторного агрегата типа ВИПЭ-2УЗ, выполненного в виде двух встречно- паралелльно выключенных трехфазных мостов: диодного выпрямителя UD и тиристорного инвертора t/Z. В качестве диодного используется выпрямитель типа ПВЭ-ЗМ, собранный на лавинных диодах ВЛ-200. Три фазы инверторного моста собраны из тиристоров типа ТД-320 с повышенными динамическими параметрами не ниже класса 12 и смонтированы в трех шкафах. Оба моста подключены к разным выводам обмоток вторичной “звезды” преобразовательного трансформатора Т типа ТДП-12500/10И-У1. Повышение напряжения трансформатора Т для инверторного режима осуществляется увеличением числа витков его вторичной обмотки. Подключение к шинам тяговой подстанции выпрямителя или инвертора в зависимости от режима работы быстродействующими выключателями типа ВАБ-28/3000, которые включаются попарно датчиком переключения режимов (ДПР). Инвертор подключается к шинам выключателями QF1 и QFV выпрямитель UD – QF3 и QF4. Эти выключатели одновременно защищают преобразовательный агрегат от перегрузок, КЗ и опрокидываний инвертора (переход в выпрямительный режим).
Схема выпрямительно-инверторного агрегата типа ВИПЭ-2УЗ
Реакторы LRt и LR2 предназначены для снижения уровня радиопомех, a LR3 и LR4 позволяют ограничить Уравнительные токи, циркулирующие между UD и UZ при их параллельной работе. Разрядники F Vx типа РБК-3, подключенные на линейные напряжения трансформатора, служат для защиты обоих мостов от коммутационных перенапряжений. Для защиты преобразователя от перенапряжений со стороны контактной сети применены вентильные биполярные разрядники FV2kFV3 типа РВБК-3,3, подключенные к выводам анод-катод инвертора и выпрямителя. Автоматическое управление переключениями и работой ВИПЭ- 2УЗ осуществляется аппаратурой, размещенной в шкафах управления (ШУ) и выходных каскадов (ШВК). Переход из режима выпрямления в режим инвертирования осуществляется при появлении на фидерной зоне подстанции рекуперирующего ЭПС и повышения напряжения в контактной сети и на шинах подстанции. Датчик напряжения (ДН), подключенный к шинам через блок Бх подает сигнал о повышении напряжения в шкаф управления (ШУ), куда поступает информация от трансформаторов тока преобразователя и трансформатора напряжения шин 10 кВ. Логические элементы датчика переключения режимов (ДПР) и ШУ обрабатывают поступившую Информацию и выдают сигналы: ДПР — на отключение выключателей QF3 и QF4 выпрямителя и на включение QFX и QF2 инвертора; ШУ и ШВК — отпирающие импульсы на управляющие электроды тиристоров инвертора.
Таким образом, приведенная схема ВИПЭ-2УЗ осуществляет выполнение всех условий инвертирования, перечисленных выше, позволяет использовать агрегат в качестве выпрямительного при отсутствии рекуперирующего ЭПС.
