Аппаратура рекуперации

Тяговые двигатели электроподвижного состава, как и другие электрические машины, при определенных условиях могут работать как генераторы, что позволяет осуществлять рекуперацию (возвращение) электроэнергии. На затяжных и крутых спусках, а также при торможении перед станциями двигатели электроподвижного состава переходят в генераторный режим, в результате чего они начинают вырабатывать (а не поглощать) энергию и создают тормозной момент, уменьшающий скорость движения поезда. При этом достигается двойной эффект: существенная экономия энергии (энергия, вырабатываемая электровозом в процессе рекуперации, может быть использована другими электровозами на данном участке или передана в первичную питающую сеть) и необходимое тормозное усилие.
На тяговых подстанциях постоянного тока для приема части энергии рекуперации, которая не использована не рекуперирующими электровозами на данном участке, устанавливают специальные устройства — приемники избыточной энергии. Принимать эту энергию необходимо для того, чтобы рекуперативное торможение подвижного состава осуществлялось надежно и беспрерывно. Поскольку при системе переменного тока преобразование тока из переменного в постоянный (в режиме тяги) и из постоянного в переменный (в режим рекуперации) происходит на электроподвижном составе, на тяговых подстанциях при этой системе никаких приемников избыточной энергии не устанавливают.
На тяговых подстанциях постоянного тока избыточная энергия рекуперации может быть либо передана в питающую систему и для этого постоянный ток должен быть преобразован в трехфазный переменный ток с помощью инверторных агрегатов, либо погашена в специальных поглощающих устройствах.
Инверторным называют полупроводниковый агрегат, который благодаря специальным устройствам и использованию регулирования напряжения способен преобразовывать постоянный ток в переменный (способен к инверсии — работе в обратном направлении). Обычно применяют выпрямительно-инверторные агрегаты, которые могут работать как в выпрямительном, так и в инверторном режимах и снабжены рядом дополнительных устройств, обеспечивающих автоматический переход из одного режима в другой.
Параметрами, определяющими необходимый режим работы, являются напряжение на шинах постоянного тока и направление обще подстанционного тока в цепи отсоса. Напряжение на шинах постоянного тока в период рекуперации становится на 15—25% выше номинального, а ток в цепи отсоса меняет направление.
Поскольку процесс рекуперации на подстанции наступает чрезвычайно быстро вслед за процессом тяги, необходимо, чтобы реле контроля тока и напряжения, а также переключающая аппаратура работали с возможно малым собственным временем. Кроме того, выпрямительные агрегаты на подстанции, которые не приспособлены к переключению на инверторный режим, при появлении избыточного тока должны быть достаточно быстро отключены. Если они останутся включенными, то будут продолжать выпрямлять ток, который инверторный агрегат будет преобразовывать в переменный, что вызовет лишние потери энергии и уменьшит эффективность инвертирования. Дополнительное коммутационное оборудование выпрямительно-инверторного агрегата (быстродействующие выключатели, разъединители), связанное с системой автоматики, переводит агрегат в режим инвертирования.
Принципиальная схема выпрямительно-инверторного агрегата показана на рис. 37. Нормально в выпрямительном режиме со стороны трансформатора 1 включен выключатель 2, а со стороны шин выпрямленного тока — выключатели 5 и 5'. При переходе на инверторный режим вместо выключателя 2, который отключается, включается выключатель 2\ а вместо выключателей 5 и 5' — выключатели 6 и 6'. При этом в цепь инвертора будут введены реактор 4 и меньшая часть тяговой обмотки трансформатора.
В тех случаях, когда количество избыточной энергии рекуперации невелико и установка инверторного агрегата не окупается за рекомендуемый срок (10 лет) экономией энергии рекуперации, на тяговых подстанциях устанавливают поглощающие устройства. Они представляют собой ящики сопротивлений, рассчитанные на определенный ток (100—150А каждый), и превращают избыточную энергию в тепло, рассеиваемое в окружающее пространство. Поглощающие устройства снабжены теми же устройствами автоматики, что и инверторные агрегаты, но, кроме того, имеют устройства, автоматически включающие сопротивления по секциям. Обычно таких секций бывает четыре, например на 150, 300, 450 и 600А избыточного тока. Поэтому поглощающие устройства имеют значительное число контакторов, последовательно включающих секции.
Рассмотрим схему установки для поглощения избыточной энергии рекуперации (рис. 38). При появлении тока рекуперации трансформатор 4 подает импульс для мгновенного включения секции сопротивлений 1 выключателю 3. Элементом пуска является быстродействующее поляризованное реле (на схеме не показано), определяющее необходимость работы поглощающего устройства и включения отдельных его ступеней контакторами 2.
Сопротивления R1— R8 выполняют из фехралевой (нихромовой) ленты, спирально намотанной на асбоцементные рамки, или используют пусковые сопротивления электродвигателей. Выпрямительный агрегат на время рекуперации автоматически отключается. Ящики сопротивлений рассчитаны на установку на открытой части подстанции. В связи с нечеткой работой устройств поглощения избыточной энергии их в последнее время прекратили устанавливать.
Контрольные вопросы
1.           Расскажите о принципе действия понижающих трансформаторов.
2.            Каковы особенности конструкций мощных трансформаторов?
3.            Кратко охарактеризуйте не тяговые силовые трансформаторы, применяемые на тяговых подстанциях.
4.            Расскажите о назначении преобразовательных агрегатов, их классификации и типах, применяемых на тяговых подстанциях.
5.            Перечислите основные элементы кремниевого вентиля и объясните принцип его действия.
6.            Какие схемы выпрямления применяют па тяговых подстанциях, в чем заключаются их достоинства и недостатки?
7.            В каких случаях применяют утроители частоты и анодные реакторы?
8.            Какие существуют системы охлаждения кремниевых выпрямителей?
9.            Расскажите о принципе действия, особенностях схем и конструкции полупроводниковых (кремниевых) преобразователей.
10.          Перечислите основные неисправности, которые могут возникнуть при работе преобразователей, и укажите методы их предупреждения и ликвидации.
11.          Что такое рекуперация и как осуществляется поглощение энергии рекуперации?