بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل و انتخاب مناسبترین سیستم تغذیه الکتریکیAC در راه آهن برقی بین شهري
چکیده :
براي تامین انرژي الکتریکی مورد نیاز لوکوموتیو برقی با تغذیه AC معمولا" از سه نـوع سیـستم تغذیـه : سـاده((SF ، )BTبوســتر ترانــسفورمر) و (Auto transformer)AT اســتفاده مــی شــود. از مزایــاي سیــستم AT نــسبت بــه سیستمهاي دیگر کاهش اثرات القایی ناشی از جریان شبکه بالا سري و جریان نشتی ریـل روي تجهیـزات مخـابراتی مجـــاور ، کـــاهش امپـــدانس مـــوثر و کـــاهش افـــت ولتـــاژ در طـــول خـــط مـــی باشـــد . ایـــن مزیـــت به ما اجازه میدهد که فاصله پستها را تـا دو الـی سـه برابـر سیـستمهاي دیگـر در نظـر بگیـریم کـه بـا توجـه بـه بـالا بودن هزینه احداث پست در اقتصادي بودن این سیستم تاثیر زیادي دارد.[4]
ما در این مقاله ضمن مدلسازي خط برقی AT ، رفتار الکتریکی آنرا با کمک نرم افزار مطلب تحلیل خواهیم کرد. و در پایان ضمن حل یک مثال واقعی از خط تغذیه برقی باسیستم BT، نتایج شبی سازي نشان خواهد داد که اگر سیستم تغذیه خط مذکور بصورت AT باشد، افت ولتاژ خط و ولتاژ ریل به حد بسیار مطلوبی کاهش خواهد یافت .
کلمات کلیدي:
راه آهن برقی ، سیستم تغذیه ، شبکه بالا سري ، پست کششی ، سیم تماس ، AT(Auto transformer) و BT (Booster transformer)
-1 مقدمه
به مجموعه اي که وظیفه آن رساندن برق مورد نیاز به لوکوموتیو برقی میباشد سیستم تغذیه می گویند. سـاده تـرین سیستم تغذیه، سیستمی هست که در آن جریان از طریق سیم تماس و پانتوگراف به لوکوموتیو میرسدوازطریق چرخ و ریل به پست کشش برمیگردد.این سیستم اصطلاحًا سیستم تغذیه ساده نامیده میشود. ازمعایب این سیستم این هست که بعلت وجود ولتاژبالا و جریان نـشتی ریـل بـه زمـین القائـات الکترومغناطیـسی ایجـاد میـشود و روي سیـستمهاي مخابراتی مجاور خط که عمدتاً متعلق به خود راه آهن میباشد اغتشاش ایجـاد کـرده و مـشکلا ت عدیـده اي را پـیش می آورد .
براي رفع این عیب ابتدا سیستم تغذیهBT ایجاد شد که در این سیستم از ترانسفورمرهایی بـا نـسبت 1:1 و سـري بـا خط تغذیه در طول مسیر خط برقی (در فواصل حدود (3km استفاده میشود. وظیفه آنها مکش جریـان ریـل میباشـد که باعث میشود جریان نشتی ریل به زمین کاهش یافته و نهایتاً سبب تضعیف القائات الکترومغناطیـسی میـشود. در این سیستم به علت اینکه BTها عنصر سلفی سري با مدار هستند امپدانس سیستم به شدت افزایش پیداکرده و سبب ایجاد افت ولتاژ زیادي در طو ل خط میشود. [4]
یکی از مناسبترین روش تغذیه استفاده از سیستم تغذیه AT میباشد در این سیستم بین دو پست تغذیـه در فواصـل حدود 10km اتوترانسفورمرها با اتصالات خاص (یک سر به سیم تغذیه،سر وسط به ریل و سر دیگر به سـیم برگـشت) قرار میگیرند که هر ترن در هر لحظه از طریق پست و اتوترانسفورمرها تغذیـه میـشود. در ایـن سیـستم بعلـت وجـود ATها بیشترین جریان ریل دربین دوAT که ترن مابین آنها در حال حرکت اسـت وجـود داشـته و همـانطور کـه در شکل 1 مشاهده میشود در محل حضور ترن به علت تغذیـه از دو AT مجـاور جهـت جریانهـاي ریـل و سـیم تمـاس معکوس بوده که باعث تضعیف اثرات القایی همدیگر میشود.[3]
شکل: 1 سیستم تغذیه AT
جریان ریل در خارج از این محدوده نسبت به جریان ترن بسیار کم است و لذا جریان نـشتی بـه زمـین و ولتـاژ ریـل بسیار کم میباشد بعلاوه ولتاژ تغذیه دو برابر شده و امپدانس موثر سیستم نسبت بـه سیـستمهاي قبلـی بـسیار کمتـر میباشد.(با مشخصات الکتریکی یکسان امپدانس موثر در واحد طول سیستم ATحدود 31 حالت تغذیه سـاده و 41 حـا لت تغذیهBTمیباشد.).[4]
-2 تحلیل الکتریکی سیستم تغذیه AT
با داشتن مقادیر امپدانسهاي خودي و متقابل سه هادي جریان دار یعنی سیم تماس،ریل و سیم تغذیه براي هر مقطـع ازشبکه بالا سري سیستم AT میتوان یک مدل امپدانسی به صورت شکل 2 فرض کرد.
جهت تسهیل در تحلیل سیستم بهتر است به نحوي براي هر خط امپدانس معادل مستقل محاسبه کنیم تا روابط ولتاژ و جریان براي هر هادي مستقل از هادیهاي دیگر باشد.(شکل.(3
طبق شکل 3 روابط ولتاژ و جریان بر حسب امپدانسهاي مستقل سه خط(( Zc,Zr,Zf به صورت زیر خواهد بود.
محاسبه Zf,Zr,Zc
با صرف نظر کردن از جریان نشتی ریل مجمو ع برداري سه جریان باید صفر باشد.
با توجه به شکل 2 میتوان رابطه ماتریسی زیر را نوشت .
با بسط رابطه ماتریسی فوق بصورت زیر میتوان اختلاف ولتاژهاي ابتداي سه خط را بر حسب امپدانسهاي خودي و متقابل بدست اورد.
- محاسبه جریانها:
فرضیات اولیه : -1اتوترانسفورمرها ایده ال در نظرگرفته شده اند . -2ترن برقی از نظر الکتریکی به عنوان یک بار با توان و ضریب بارثابت فرض شده است. -3فواصل نسبت به محل پست بوده و بر حسب کیلومتر می باشند. -4فرض میکنیم سیستم یکسو تغذیه و بسته میباشد. یعنی ترن درهر لحظه فقط از یک پست تغذیه میشود و در محل پست ، ریل به همراه سر وسط اتوترانسفورمرها زمین شده است. -5فرض شده است بین دو پست فقط یک ترن در حال حرکت باشد. -6سطح ولتاژ سیستم 25AC kv در نظر گرفته شده است. (در این سطح ولتاژ، ولتاژ بی باري در محل پست طبق استاندارد باید 27/5kvباشد.) [5]
لحظه اي را که ترن دریک نقطه دلخواه با توان مصرفی نامی در حال حرکت میباشد را در نظر گرفته و محاسبات جریانها را شروع میکنیم. شکل:4
باتوجه به حلقه هاي در نظر گرفته شده در شکل میتوان دو رابطه kvl بصورت زیر نوشت.
رابطه ولتاژي اتوترانسفورمر:
باترکیب تمام روابط مربوط به KCL,KVL و با در نظر گرفتن رابطه ولتاژي اتوترانسفورمر بـه فرمولهـاي نهـایی زیـر
میرسیم:
اگر فواصل اتوترانسفورمرهایی که ترن مابین آنها قرار دارد به ترتیب PT+1,PT در نظر بگیریم سه ناحیه کلـی ایجـاد میشود که بر حسب شرایط ، میتوان رابطه جریانی ساده اي را از رابطه کلی استخراج کرد.
الف: X) .X >PT+1فاصله متغیر از پست هست)
اگر X مابین آخرین دو AT بین دو پست تغذیه باشد، با توجه به یک سو تغذیه بودن سیستم ،عملاً آخرین AT از نظر الکتریکی مدار باز میباشد. شکل5
با توجه به شکل و روابط بالا:
اگر محاسبه را به همین ترتیب از انتهاي مسیر تا محل ترن ادامه دهیم ، نتیجه میگردد که تمامی جریانها بعد از دو AT مجاور ترن و به سمت باز مدار صفر میباشند.یا به تعبیر دیگر ترن در هر لحظه بوسیله پست و از طریق فقط دو AT مجاور و AT هاي ماقبل خودش تغذیه میشود.
ملاحظه میشود که ا گر ما محاسبات را از محل ترن شروع کنیم درهر قسمت تمامی جریانهـاي سـیم تمـاس ،ریـل و سیم تغذیه را میتوان برحسب جریان ترن بدست آورد.نکته قابل توجهی که میتوان در اینجـا بـه آن اشـاره کـرد ایـن است که نقش دو AT مجاور ترن در تغذیه آن بسیار بیشتر از AT هاي دیگر است.[1] و[5 ]
- محاسبه ولتاژها:
پست را میتوان با یک منبع ولتاژثابت (kv)Es=27.5وامپدانس سري Zs مدل کرد. ولی ترن را بعنوان یک بار تـوان و ضریب بارثابت در نظرگرفته ایم لذا بدیهی است که با کاهش ولتاژ تغذیه در طول خط جریان تغذیه ترن ثابت نبـوده و افزایش پیدا خواهد کرد.
