Автори: Сумін В.Б., Лютий Ю.В.
Журнал (бюлетень) Міжнародної Асоціації «Метро» «МETRO INFO International». – 2020 р. - №3. – С. 35-39
Застосування керованих тиристорних випрямлячів у системах метрополітену та легкорейкового транспорту
Анотація. У статті на прикладі проєкту тягової підстанції «Arninge» (м. Стокгольм, Швеція) розглядається досвід роботи Компанії «Плутон» у створенні та впровадженні керованих тиристорних випрямлячів для живлення контактних тягових мереж рейкового транспорту, приводиться порівняння керованих тиристорних випрямлячів та діодних випрямлячів для тяги, виділені основні специфічні для тяги вимоги до керованих тиристорних вимикачів.
Ключові слова: тягові мережі, керований тиристорний випрямляч, VCR, вихідна напруга, випрямлений струм, номінальна напруга.
Використання керованих тиристорних випрямлячів для електроприводів та електропостачання рейкових систем постійного струму завжди становило великий інтерес, оскільки вони здатні підтримувати стабільну напругу на шинах підстанцій при будь-яких тягових навантаженнях, включаючи максимальні. Впровадження керованих тиристорних випрямлячів (далі — VCR, voltage controlled rectifier) для забезпечення живлення тягових мереж електротранспорту має ряд переваг у порівнянні зі стандартними діодними системами, а саме:
- економія енергії шляхом зменшення втрат у тяговій мережі постійного струму;
- економія енергії шляхом можливої рекуперації енергії гальмування від транспортних засобів у мережу живлення змінного струму;
- можливість впровадження системи керування енергією та навантаженням з налаштуванням параметрів онлайн у системі дистанційного керування;
- можливість модернізації існуючих діодних систем електроживлення;
- можливість забезпечення тягового електропостачання транспорту із повністю автономним рухом;
- можливість розв'язання системних питань забезпечення безпеки об'єктів суспільного транспорту та керування транспортом в цілому;
- зниження витрат на будівництво підстанцій та значне зменшення їх кількості.
Приклади застосування VCR для живлення тягових мереж електротранспорту
Спираючись на інформацію із закордонних джерел, приведемо декілька прикладів успішного застосування VCR у світі:
- Швеція, м. Стокгольм. Модернізація системи електропостачання швидкісного трамвая лінії «Nockeby» за допомогою VCR (початок 1984 року);
- Швеція. м. Стокгольм. Застосування VCR з метою модернізації системи електропостачання приміської лінії «Roslagsbanan» (початок 1995 року);
- США, м. Даллас. Оснащення першої лінії швидкісного трамвая системою живлення, яка складалася з 16 підстанцій, обладнаних VCR. Лінія була відкрита для комерційної експлуатації влітку 1996 року;
- Республіка Корея, м. Пусан. Оснащення другої лінії метро системою електропостачання, яка складалася з 9 підстанцій із застосуванням VCR. Перший етап з 6 підстанціями знаходиться у комерційній експлуатації з середини 1999 року, а другий етап — з початку 2002 року;
- Республіка Корея, м. Пусан. Оснащення першого етапу третьої лінії метро системою електроживлення, яка складалася з 6 підстанцій, обладнаних VCR (кінець 2004 року);
- Швеція, м. Стокгольм. Постачання керованого тиристорного випрямляча виробництва «Плутон» для приміської лінії «Roslagsbanan» (2019 рік).
На прикладі модернізації системи електропостачання приміської лінії «Roslagsbanan» у 1995 році розглянемо переваги застосування VCR. Сама лінія «Roslagsbanan» являє собою стару вузькоколійну приміську лінію з унікальною шириною колії — 891 mm. Протягом 1993-1994 років існуючу систему електропостачання замінили п'ятьма новими підстанціями, кожна з яких оснащена двома VCR, які дозволяють використовувати нові, більш потужні потяги з вищими швидкостями. Дві підстанції були оснащені VCR потужністю 2,5 MW, а три підстанції — VCR потужністю 1,25 MW. Всі підстанції мали повністю контрольовану вихідну напругу із наступним регулюванням: Ud = 1650 + 150 * Id / 175, де Ud — фактична DC-напруга в вольтах, а Id — фактичний струм навантаження в процентах від номінального вихідного струму підстанції. Однак, при струмах навантаження вищими за 175 % Ud зменшується відповідно до параметрів перетворювального трансформатора. Якби була використана система зі звичайними діодними випрямлячами, то для забезпечення потреби потягів у електроенергії було б потрібно вісім підстанцій, а завдяки впровадженню керованих тиристорних випрямлячів їх кількість скоротилася б до п'яти.
Також і на третій лінії метро в Пусані (Республіка Корея) застосування системи на основі VCR дозволило збільшити відстань між підстанціями, та знизити їх кількість з 8 до 6 (кожна з підстанцій була оснащена трьома VCR потужністю 3,3 MW). Всі підстанції мали повністю керовану (стабілізовану) вихідну напругу 1650 V постійного струму при холостому ході з лінійним збільшенням напруги до 1750 V постійного струму при номінальному навантаженні 200 %.
Технічні характеристики VCR
У міжнародній публікації IEC 60146 «Напівпровідникові перетворювачі постійного струму прямого живлення (імпульсні перетворювачі постійного струму)» говориться, що нормальні умови експлуатації для рухомого складу дорівнюють номінальній напрузі постійного струму +20 % та -30 %. Номінальна постійна напруга являє собою середнє значення за період напруги пульсації. Однак відносний коефіцієнт пульсації (від піку до піку) не повинен перевищувати 15 %. Ці значення є визначними параметрами для проєктування випрямлячів та системи електроживлення.
Коли діодні випрямлячі використовуються для перетворення змінного струму в постійний, слід враховувати зміни напруги в живлячій мережі змінного струму, а також підвищення напруги до напруги живлення змінного струму при відсутності навантаження (Ud0). Враховуючи різницю в 5 % при зміні напруги змінного струму, еквівалентна напруга постійного струму при малому навантаженні, безперервному струмі та номінальній змінній напрузі буде приблизно на 9 % вищою за номінальну постійну напругу. Потім напруга постійного струму зменшується при збільшенні струму навантаження в залежності від загального реактивного опору живлячої мережі змінного струму та трансформатору, за так званою «зовнішньою характеристикою».
Пунктирною лінією на Мал. 1 відмічена типова характеристика вихідної напруги від діодного випрямляча. Коли для випрямлення використовуються VCR, напруга постійного струму завжди регулюється як функція струму навантаження. На трансформаторах не потрібні переключення або ж пристрої для регулювання напруги на трансформаторах під навантаженням (РПН).
Жирна лінія на Мал. 1 показує вихідну напругу як функцію струму навантаження для VCR зі 110 % напругою без навантаження та лінійним збільшенням вихідної напруги до 118 % при струмі 200 % навантаження. Таке регулювання оптимізує систему електроживлення у відношенні змін, дозволених в публікації IEC 60146.
Мал. 1 Зовнішні характеристики діодного та тиристорного випрямлячів
Основною причиною позитивного нахилу характеристики напруги/струму є компенсація частини резистивного падіння напруги в контактній мережі та ходових рейках. Таке регулювання напруги зменшує втрати в тяговій мережі постійного струму, що дозволяє збільшувати відстань між живлячими станціями. Вмикання інверторних мостів дозволяє стабілізувати напругу тягової мережі та рекуперувати енергію гальмування від транспортних засобів в мережі живлення змінного струму.
Пульсація вихідної напруги від керованого тиристорного випрямляча вища, ніж від діодного випрямляча. При використанні 6-пульсних тиристорних випрямлячів амплітудне значення напруги буде перевищувати величину 15 % та будуть потрібні низькочастотні DC-фільтри. Використання 12-пульсних тиристорних випрямлячів зменшує пульсацію напруги постійного струму, а також гармонічні струми зі сторони живлячої напруги. Таким чином, розмір та складність DC- та AC-фільтрів будуть зменшені, а необхідність DC-фільтрів може навіть бути відсутньою.
Мал. 2 Вихідна напруга постійного струму 12-пульсного випрямляча 1500 V
Для живлячих тягових систем з номінальною напругою 1500 V постійного струму найбільш ефективними є 12-пульсні випрямлячі. Система керування та регулювання нового покоління керованих тиристорних випрямлячів повністю комп'ютеризована, однак для інтерфейсу із зовнішнім обладнанням досі використовуються й реле.
Енергозбереження шляхом зменшення втрат електроенергії в електричних мережах
Вихідна напруга VCR збільшується або зберігається стабільно зі збільшенням навантаження, але вихідна напруга діодних випрямлячів зменшується зі збільшенням навантаження, як показано на Мал. 1. При однаковій споживаній потужності відносно висока напруга від VCR призводить до нижчого струму в тяговій мережі постійного струму. Втрати в тяговій мережі є пропорційними квадрату струму навантаження, а отже, при використанні VCR втрати значно знижуються.
Приклад: дві підстанції розташовані на відстані 4 km одна від одної, опір кола в тяговій мережі складає 0,04 km, два потяги потужністю 3 MW кожний знаходяться на середині дистанції між двома підстанціями. Якщо обидві підстанції оснащені діодними випрямлячами, втрати в ланцюгових/спрямовуючих рейках будуть складати 13 % від потужності, що передається. Якщо ж обидві підстанції оснащені VCR, втрати будуть зменшені до 10 % від потужності, що передається, через нижчий струм (близько 11 %) в тяговій мережі. Напруга постійного струму, яка живить безпосередньо потяг, при живленні від VCR буде вищою за номінальну напругу. Однак у діодному випрямлячі напруга, яка живить потяги, буде приблизно на 10 % нижчою за номінальну напругу, що може обмежити їх роботу.
Енергозбереження шляхом рекуперації
У сучасних залізничних рухомих системах енергія гальмування, що подається назад в тягову мережу постійного струму від гальмуючих потягів, поглинається в основному іншими потягами, що рухаються. Однак часто буває, що поруч немає електропотяга або струм гальмування перевищує струм, який споживається потягами, що знаходяться поблизу. Звичайна діодна випрямна система не може передати надлишкову енергію з мережі тяги постійного струму. Для уникнення такої ситуації та для забезпечення стабільного рекуперативного гальмування та максимального використання енергія гальмування на підстанції встановлюються інвертуючі перетворювачі (ті ж самі VCR, але які працюють в інверторному режимі).
Зниження витрат на будівництво підстанцій
Системи електроживлення із застосуванням VCR передбачують відносно високу вихідну напругу від підстанцій та менші втрати в тяговій мережі постійного струму. У звичайних транспортних системах таке рішення дозволяє значно збільшувати відстань між підстанціями, що залежить від нахилу характеристики напруги відносно струму, опору контуру мережі постійного струму та інтенсивності руху потягів. Беручі до уваги цей факт, при застосуванні енергоефективної системи живлення на базі VCR можна суттєво зменшити кількість підстанцій, необхідних у разі застосування звичайної системи з діодними випрямлячами, що дозволить значно знизити витрати на матеріали та їх будівництво.
Керований тиристорний випрямляч виробництва «Плутон» нового покоління — інноваційне рішення для забезпечення тягового електропостачання транспорту (включаючи транспорт з повністю автономним рухом)
У 2019 році «Плутон» виконав постачання обладнання для муніципальної компанії «Storstockholms Lokaltrafik AB» (SL) в рамках проєкту модернізації тягової підстанції «Arninge», яка живить лінію приміського швидкісного потяга Стокгольму. Для даного проєкту фахівці «Плутон» розробили унікальне технічне рішення — керований тиристорний випрямляч нового покоління В-ТПЕ-2,1к-1500-12П на струм 2133 A та напругу 1500 V, виконаний за 12-пульсною схемою випрямлення з паралельним з'єднанням тиристорних мостів та оснащений мікропроцесорною системою керування.
При його розробці та виготовленні були застосовані найсучасніші технології, матеріали та компоненти провідних світових виробників — це стосується як конструкції шафи та силової частини, так і програмного забезпечення, систем захисту, діагностики та керування випрямлячем, електричного монтажу, технології обслуговування та ремонту.
Конструктивно випрямляч складається з двох шаф із силовими тиристорами, запобіжниками, елементами захисту, керування, контролю (Мал. 3). Його живлення здійснюється від сухого трьохобмоткового перетворювального трансформатора з первинною напругою 22 kV. У випрямлячі застосовані таблеткові силові тиристори виробництва «Dynex» 52 класу, а послідовно з кожним тиристором встановлені силові швидкодіючі запобіжники виробництва фірми «Mersen», за допомогою яких здійснюється захист від внутрішніх коротких замикань. Охолодження — природне повітряне.
Мал. 3 Зовнішній вигляд випрямляча
У випрямлячі В-ТПЕ-2,1к-1500-12П реалізований захист силових напівпровідникових приборів від внутрішніх та зовнішніх комутаційних перенапруг. Від внутрішніх комутаційних перенапруг захист забезпечується RC-колами, від зовнішніх — комбіновано: RC-колами та варисторами (розташовуються на панелі захисту від перенапруг).
Мал.4 Спрощена схема тягової підстанції з тиристорним випрямлячем
Мал. 5 Зовнішній вигляд обладнання тягової підстанції
Керування тиристорним випрямлячем здійснюється за допомогою мікропроцесорної системи МС-40 розробки «Плутон», реалізованої на базі сучасного сигнального процесора. Система містить аналогові та дискретні входи та виходи, комунікаційний порт, години та індикацію роботи, і у своєму складі має енергонезалежну пам'ять, яка дозволяє зберігати журнал аварій, що є зручним при дослідженні причин технологічних нештатних ситуацій. Передбачене дистанційне керування від системи керування підстанцією (верхнього рівня), а зв'язок забезпечується по протоколу Modbus TCP/IP. Система МС-40 дозволяє реалізувати всі вимоги, до керування, регулювання та захисту випрямлячів, а також вимоги технологічних алгоритмів забезпечення електропостачання тягової мережі.
Реалізація HMI здійснюється за допомогою панелі оператора у вигляді сенсорного 7-дюймового TFT-дисплея, яка дає можливість користувачу обмінюватися інформацією із системою керування. Панель оператора забезпечує:
- виведення повідомлень про режими роботи;
- виведення попереджувальних та аварійних повідомлень;
- вибір режиму керування випрямлячем;
- задання, зміну та збереження параметрів уставок;
- ведення журналу подій випрямляча;
- тестування окремих вузлів випрямляча;
- забезпечення зв'язку випрямляча із системою телемеханіки.
Мал. 6а Головний екран панелі оператора
Мал. 6б Вікно аварій
Приклади реалізованих у керованому тиристорному випрямлячі режимів стабілізації вихідної напруги 1650 V приведені на Мал.7. Показана розрахункова зовнішня (навантажувальна) характеристика VCR у разі стабілізації вихідної напруги Ud = 1500 … 1650 V DC.
Синьою жирною лінією показана стабілізація вихідної напруги Ud = 1650 V DC, при струмі навантаження від Id = 0 % до Id = 150 %. Подальший спад вихідної напруги при збільшенні струму навантаження VCR з Id = 150 % до Id = 300 % визначається значенням параметру трансформатора.
Сірим кольором виділена область регулювання вихідної напруги в залежності від струму навантаження VCR. Для порівняння помаранчевим кольором відмічена зовнішня характеристика діодного випрямляча.
Після проведення необхідних комплексних пусконалагоджувальних робіт обладнання тягової підстанції «Arninge» у складі з керованим тиристорним випрямлячем В-ТПЕ-2,1к-1500-12П пущене в роботу. Подальша експлуатація тягової підстанції дозволить Замовнику оцінити очевидні переваги, отримані завдяки застосуванню даного рішення у складі підстанції.
Наявний досвід інженерів «Плутон» у розробці та впровадженні тиристорного випрямляча на тяговій підстанції не обмежується тільки проєктом «Arninge». На сьогодні наші фахівці здійснюють виготовлення та постачання обладнання з керованими тиристорними випрямлячами з номінальним струмом 2,3 kA та напругою 1500 V та удосконаленими алгоритмами керування для двох нових підстанцій — «Vallentuna» та «Lindholmen» (округ Стокгольма, Швеція), запуск яких запланований на 2021 рік.
Висновки
Керовані 12-пульсні тиристорні випрямлячі виробництва Компанії «Плутон» є сучасним рішенням для модернізації тягових мереж метрополітену, легкорейкового транспорту, а також міського електротранспорту та залізниць. Ефективність їх застосування для живлення тягових мереж із підвищеною напругою дає можливість для розробки нових гнучких рішень, здатних підлаштовуватися під потреби найрізноманітніших Замовників, а також дозволяє розв'язувати системні питання в області керування суспільним транспортом та забезпечення безпеки його об'єктів (транспортна безпека).
скачать
скачат