автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оптимизация параметров компенсатора реактивной мощности электроподвижного состава переменного тока

На правах рукописи

РГБ ОД ПОХЕЛЬ Владимир Борисович ' 7 МТ 1998 УДК 629.4.064.5

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных

дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта МПС РФ.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иньков Юрий Моисеевич

(МГУ ПС),

кандидат технических наук Бородулин Борис Михайлович

(ВНИИЖТ).

Ведущая организация - Департамент локомотивного хозяйства Министерства путей сообщения РФ.

Защита диссертации состоится 2Q ОЫПЯ£рЯ 1998 года в V3 часов на заседании диссертационного Совета Д114.01.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (Москва, И-164, 3-я Мытищинская ул., д. 10), Малый конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИЖТа.

Автореферат разослан сеи/пя&ря 1998 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес Совета института

/ :.

/ Ученый секретарь

диссертационного Совета

Кучумов Владислав Алексеевич

доктор технических наук

П.Т.Гребенюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Железнодорожный транспорт был и остается главной связующей основой экономики России. Железные дороги являются одним из основных звеньев технологического процесса, обеспечивающего устойчивое функционирование народного хозяйства и жизнеобеспечения населения. Ими выполняется около 55 % общего грузооборота и 33 % пассажирских перевозо:: в стране. В структуре электропотребления электрифицированных железных дорог основную часть - 77,7 % составляет расход на тягу поездов. В условиях снижения объема грузо-и пассажироперевозок, роста цен на энергоносители и возросшей конкуренции со стороны других видов "транспорта перед железными дорогами в качестве приоритетной стоит задача снижения эксплуатационных расходов.

Один из основных путей решения поставленной задачи - экономия топливно-энергетических ресурсов путем повышения энергетических показателен эксплуатирующегося подвижного состава за счет их модернизации. В то же время перспективный электроподвижной состав должен отвечать современным требованиям не только по тяговым, но и по энергетическим характеристикам.

В настоящее время почти половину эксплуатируемых магистральных электровозов составляют электровозы переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями. В утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации федеральной целевой программе приоритет отдан электроподвижному составу (ЭПС) с тяговым приводом переменного тока и бесколлекторными тяговыми двигателями.

Основными энергетическими показателями электроподвижного состава переменного тока являются коэффициент полезного действия и коэффициент мощности на токоприемнике. Коэффициент мощности характеризует потери при передаче энергии от фазового сдвига меж-

ду основными гармониками тока и напряжения и искажений формы тягового тока. Низкий коэффициент мощности ведет к недоиспользованию мощности источников электроснабжения, загрузку потоками реактивной энергии линий электропередач, увеличение потерь напряжения и общее снижение энергетических показателей системы электроснабжения.

Вопросами повышения коэффициента мощности ЭПС переменного тока и системы электрической тяги в целом в разное время занимались доктора технических наук А.В.Каменев, В.АЛСучумов, Р.Р.Мамошин, Б.А.Метелкнн, Б.Н.Тихменев, В.Д.Тулупов, Л.А.Герман, кандидаты технических наук Б.М.Бородулин, А.Л.Лозановский, И.В.Павлов, Н.Н.Широченко. В их работах показана важность этой проблемы для ЭПС переменного тока.

Один из путей повышения коэффициента мощности ЭПС переменного тока - это применение емкостных компенсаторов реактивной мощности, установленных на входе преобразователей ЭПС. Целью работы является комплексное теоретическое и экспериментальное исследование путей повышения эффективности работы бортовых устройств компенсации реактивной мощности ЭПС перемен-ноготока:

• анализ процессов в системе электрической тяги переменного тока при подключении различных типов компенсаторов реактивной мощности (КРМ);

• разработка методики определения оптимальных параметров КРМ для любого типа ЭПС переменного тока с тиристорными преобразователями и зонко-фазовым регулированием.

• определение путей повышения эффективности работы КРМ;

• испытания компенсаторов в условиях эксплуатации и на опытном ЭПС.

Методы исследования. Проведение теоретического анализа физических процессов и их математическое описание. Исследование полученных математических моделей с применением ПЗВМ и программ, разработанных на языке программирования ТигЬораБса!. Экспериментальные исследования на опытном ЭПС в эксплуатации и на макетных образцах на экспериментальном кольце ВНИИЖТа.

Научная новизна. Произведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитных процессов в системе электрической тяги переменного тока при подключении бортового КРМ с различными схемами. Получены и.решены в общем виде системы уравнений, описывающие указанные процессы для компенсатора, состоящего из одного звена при произвольном его размещении в системе электрической тяга. Получены и решены в общем виде аналогичные системы уравнений для компенсатора, состоящего из двух звеньев н подключенного на вход преобразователя ЭПС. Разработана методика определения и установлены оптимальные параметры КРМ.

Практическая ценность. Применение бортовых компенсаторов реактивной мощности позволяет поднять средний уровень коэффициента мощности ЭПС переменного тока до 0,91 и выше. Это дает возможность использовать преобразователь с двум зонами регулирования, что по массо-габаритным показателям необходимо для бесколлекторного тягового привода на основе инверторов тока. Оборудование электровозов компенсаторами позволяет существенно упростить стационарные устройства КРМ, а в ряде случаев и отказаться от их применения. При компенсации реактивной мощности непосредственно на ЭПС снижается загрузка реактивными токами тяговой сети и бортового оборудования, сокращаются потери энергии в тяговой сети, составляющие 1,5 - 2% и улучшаются характеристики самого ЭПС.

Внедрение. Результаты исследований использованы при разработке технических требований к пассажирскому электровозу ЭП200 и электропоезду. ЭНЗ. Опытный образец указанного электровоза изготовлен и проходит наладочные испытания. Электропоезд ЭНЗ в настоящее время изготавливается на НЭВЗе. Разработаны и переданы промышленности технические предложения по модернизации КРМ на электровозе ВЛ85-155.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и одобрены: на международной конференции "Состояние и перспективы развития локомотивостроения", Новочеркасск, ВЭлНИИ, 1994 г.; на научно-технической конференции с международным участием "Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств", Суздаль, 1995 г.; на научно-техническом совете отделения Электрификации ВНИИЖТ в декабре 1993 г. и в мае 1998 г. '

Публикации. Материалы диссертации и результаты работы отражены в четырех печатных трудах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 41 наименование и четырех приложений. Работа содержит 101 страницу текста, 52 рисунка, 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, проанализированы существующие способы повышения коэффициента мощности, отечественный опыт применения бортовых КРМ и сформулированы общие задачи исследования. .

В первой главе сформулированы цели исследования и методы их достижения, представлены результаты теоретического анализа электромагнитных процессов в системе электрической тяги переменного

тока при произвольном размещении однозвенного компенсатора и расчеты для варианта подключения на вход преобразователя ЭПС, рассмотрены особенности работы КРМ при подключении к обмотке силового трансформатора, не являющейся тяговой (например, к обмотке собственных нужд или отопления).

Емкостные устройства компенсации реактивной мощности в виде 1С-цепей, подключенных ко вторичной обмотке тягового трансформатора (т.е. на вход преобразователя), вносят отличия в электромагнитные процессы преобразователей и системы электрической тяги в целом. Для оценки их эффективности проведено исследование этих процессов и определение оптимальных параметров (емкости и индуктивности) компенсаторов. Основное отличие электромагнитных процессов в тиристорном преобразователе с компенсирующей ХС-цепыо на входе-состоит в том, что в режиме выпрямления колебательный ток ¿С-цепей, наложенный, на переменный ток от нагрузки тяговых двигателей, улучшает форму тока тяговой сети, смещая первую его гармонику в сторону опережения и соответственно повышая коэффициент мощности. Основное преимущество компенсированного преобразователя при фазовом регулировании проявляется , в значительном повышении коэффициента мощности системы электрической тяги переменного тока в целом. Очевидно, что этот эффект при неизменной собственной частоте компенсирующего устройства усиливается с увеличением в нем емкости конденсатора. В связи с этим необходим выбор оптимальных параметров ЬС-цепи, обеспечивающих повышение коэффициента мощности до необходимого уровня при массо-габаритных показателях компенсирующего устройства, приемлемых для установки его на электроподвижном составе. Целью настоящей работы является исследование электромагнитных процессов в системе электрической тяги переменного тока при подключении

различных вариантов КРМ и создание универсальной методики определения оптимальных параметров указанных устройств.

Токи и напряжения в Системе электротяги удобно анализировать

Между источником неискаженного синусоидального напряжения (/т5ш(й*+ог+у2) и компенсатором имеется индуктивность 1Т, включающая в себя в общем случае индуктивности линии внешнего энергоснабжения, трансформаторов тяговой подстанции, контактной сети и электровозного трансформатора. Обозначения элементов: С -конденсатор КРМ, Lи¿(l- дроссель КРМ и сглаживающий реактор. Индуктивность £„ характеризует удаление компенсатора от входа преобразователя ЭПС. Приняты следующие допущения: тиристоры преобразователя полагаем идеальными, активными потерями энергии

в элементах схемы пренебрегаем. Для удобства анализа начало отсчета времени принимаем в середине интервала коммутации у.

По схеме рис. I получены расчетные схемы замещения для временных интервалов коммутации и выпрямления. На этих интервалах указанные схемы описываются линейными дифференциальными уравнениями. Исходная система уравнений для интервала коммута-

ции -у^саг^-^

и.*т{со1 + « +у) -соЬ -¿Ъ-соЬ, & = О

¿ах

1 (¡т

Исходная система уравнений для интервала выпрямления

Ж

с1ш

и = ч

где обозначены: ис - напряжение на конденсаторе КРМ, /к - ток в конденсаторе, Ц - выпрямленный ток, /т - ток в тяговой сети, /„ - ток на входе ВИП, у- угол коммутации. Расчетный угол регулирования а отсчитывается от точки перехода через ноль кривой неискаженного питающего напряжения и несколько больше практической величины угла регулирования, который отсчитывается от точки перехода через ноль вторичного (или первичного) напряжения трансформатора ЭПС.

В результате решения уравнений получены аналитические выражения в замкнутой форме для определения средних величин выпрямленных напряжения ий и тока 1й, минимального угла открытия

го

тиристоров а^т, углов <р\\ (р^ сдвига тягового тока относительно питающего напряжения и и напряжения на токоприемнике 1/э, напряжений на элементах и тока в звене КРМ. Найденные выражения позволили1 определять электрические параметры схемы рис. 1 и строить диаграммы мгновенных значений. Выражения для постоянных интегрирования Г>] - £>7, среднего выпрямленного напряжения Ц/ и промежуточной постоянной £>51 приведены в тексте диссертации. Средняя величина выпрямленного тока определяется по формуле

(x+ky)Dt + -5w(a + j)cosj - тт Dtsin

гг(1 + *)

. "-Г 2т

Пределы изменения угла регулирования o^iп и ow

г-уЛ

г

«mi» = arctg

jU't + tgL-^PyCos 2f

я-у

~ 2"

, в _ , r . я-у

В данной формуле для а^ принимаем «+», для а^— «-».

Принятые обозначения: ;

к= L' + L°) 7 = m= L, .

Lj • . L ' Lj + Ln

рг = alCLva2 = p\lm(\-m) + l); т1 = p\Ulm(l--^)).

£ + 1

Анализ зависимостей угла коммутации и коэффициента относительной пульсации выпрямленного тока от среднего значения этого тока проведен с использованием полученных выражений. Установлено, что применение КРМ снижает угол коммутации на 10 - 20 эл.град. практически во всем диапазоне выпрямленного тока. Влияние компенсатора на величину пульсаций выпрямленного тока незначитель-

HO. ;

При расчетах собственная частота компенсатора f0 принята равной 135 Гц. Этот выбор обусловлен следующими практическими соображениями. Наибольшей эффективностью обладает КРМ с собственной частотой 150 Гц, то есть настроенный в резонанс с третьей

■/л

гармоникой тягового тока. Это объясняется тем обстоятельством, что данная гармоника в большинстве случаев имеет наибольший вес среди всех высших гармонических составляющих и, следовательно, ее наличие в значительной степени снижает коэффициент мощности. Однако применение КРМ с собственной частотой 150 Гц практически невозможно из-за возможности возникновения резонансных явлении с резким увеличением токов и напряжений в системе и выходом из строя отдельных элементов.

Далее получены формулы для определения гармонического состава токов и напряжений данной схемы. Найдено разложение напряжения и„ на входе ВИП в проекциях на оси 2 и У, и через него выражены остальные величины. Основное преимущество данного способа расчета заключается в том, что на интервале коммутации величина ип=0. Для основной гармоники (л=1) получено: 1

£/„;, =

i+it

х sin — - т cos COS

и• - 1

u nyl

1 + *

X

• Y IT — У

%smL— cos-'—cos

2 2r

Для высших гармонических составляющих (л>1) получены следующие выражения:

~ Г^Ф»^»^- 'OS^f) ♦ iu.'casf}

^^DUrun^J-sin'^-cos^co!,^} . \ — п т ^ 2r 2 2r 2 J]

Зная гармонический состав напряжения (У„ на входе преобразователя, возможно определить по классическим законам линейной электротехники гармонический состав тока /т в тяговой сети, а также ток в звене компенсатора /к. -ток в звене КРМ /к

. 1пр2

I Кт

1

1 — П С

1пр2

т UL sin ^ + ¿0)0 "m)cos(a +L)

1-пга2

m

- ток на входе ВИП /п 1

IПуп . " /, 2 2 \

«(1 - па) 1

/nzn

п(\-п2а2)

(l-n2p\Ulm))Umitsin!f-S(m - p2)cos(a +

(1-яУ(1+/иО)У* <5(1)(1

ток в тяговой сети /т 1

/туп /л 2 2 \

л(1-н СТ )

(1-л2р2)0'" - ¿(1)0 - Р2(1 +1 ~ lm)cos{a +

1 T/il

1

и(1 -nV)

где $1)- единичная функция; <^1)=1 при п=1, $1)=0 при п>1. Для анализа и расчетов при размещении компенсатора на входе выпрямителыю-инверторного преобразователя (ВИП) полученные формулы были преобразованы и упрощены.

При одной и той же собственной частоте КРМ /0 может быть выбрана различная емкость С конденсатора. Если эта емкость достаточна большая, то зависимость Qc =X/d) при непрерывном выпрямленном токе I¡¡ носит падающий характер. Максимальная реактивная мощность конденсатора КРМ имеет место при идеальном холостом ходе электровоза. При малой емкости конденсатора КРМ зависимость Q ~ J\Id) имеет восходящий характер. Максимальная реактивная мощ-

ность цепи КРМ получается при наибольшей нагрузке электровоза и при наибольшем его удалении от источника энергии.

Оптимальной представляется промежуточная между двумя рассмотренными величина емкости КРМ, при которой реактивная мощность конденсатора при идеальном холостом ходе и при наибольшей нагрузке электровоза, находящегося на наибольшем удалении от тяговой подстанции равны одной и той же величине, которая и будет являться максимальной расчетной величиной. При такой емкости реактивная мощность конденсатора используется наиболее полно по всем диапазоне нагрузки электровоза. Максимальную реактивную мощность конденсатора следует определять для тягового режима с минимальным углом открытия тиристоров ат-т. При работе ВИПа с большим значением угла оь и при работе с зонно-фазовым регулированием реактивная мощность конденсатора уменьшается.

Для сравнения эффективности КРМ с различной собственной частотой расчеты производились при _/о=128;135;142 Гц. В качестве исходных приняты параметры оборудования электровоза ВЛ65. По результатам расчетов построены зависимости параметров КРМ и коэффициента мощности Я от суммарной .емкости конденсаторов КРМ. Зависимости реактивной мощности конденсаторов £>с(С) при режимах идеального холостого хода и часовой нагрузки пересекаются. Исходя из изложенного выше, оптимальной является емкость, соответствующая точке пересечения. При повышении собственной частоты КРМ эта точка сдвигается в сторону большей емкости, при уменьшении - в сторону меньшей емкости соответственно. Для выбранной собственной частоты 135 Гц емкость составляет 1150 мкФ на электровоз. На рис. 2 приведены расчетные зависимости коэффициента мощности электровоза от емкости конденсатора КРМ.

0,95

0,9

0.85

0,«

0,75

О 1000 2000 С,м >Ф

Рис. 2. Коэффициент мощности электровоза при подключении однозвенного КРМ с различной собственной частотой. Режим часовой нагрузки

На основании изложенного предложена следующая методика выбора параметров однозвенного КРМ для электроподвижного состава. Из номенклатуры конденсаторов, пригодных по механическим и климатическим условиям, выбирается количество конкретных банок с определенной суммарной емкостью С и это количество распределяется по ВИПам. При этом по расчетным зависимостям устанавливается коэффициент мощности ЭПС в часовом режиме, а также действующее значение тока /к в компенсаторах. По действующему значению тока /к выбирают тиристоры, подключающие компенсатор и сечение

меди дросселей КРМ. Индуктивность дросселей вычисляют по формуле

¿- 1 2 .

(2^, )2 С

Потери энергии и тепловой режим дросселей определяют с учетом расчетного гармонического состава тока. Для выбранного типа проверяются расчетные (действующее и амплитудное) значения напряжения и реактивная мощность конденсаторов. Если требуемая реактивная мощность больше, чем обеспечивают выбранные конденсаторы, необходимо применить принудительную вентиляцию конденсаторов или уменьшить собственную частоту, т.е. несколько увеличить индуктивность дросселей при сохранении емкости конденсаторов.

Для согласования напряжений допустимо использовать промежуточные отпайки тяговой обмотки трансформатора с соответствующим пересчетом параметров Ь и С пропорционально квадрату коэффициента трансформации и параметров I к и пропорционально первой степени того же коэффициента трансформации между полной вторичной обмоткой и той ее частью, к которой подключается КРМ.

Отечественный и зарубежный опыт применения бортовых КРМ показывает, что эти устройства подключались только к вторичной тяговой обмотке силового трансформатора. На электропоездах для этого необходимо размещать КРМ на моторном вагоне. Такое размещение может оказаться невозможным вследствие недостатка места. В этом случае ВЭЛНИИ предложено разместить КРМ на прицепном вагоне с подключением его к обмотке отопления трансформатора. При этом, как показали проведенные исследования, возможно снижение эффективности работы компенсатора вследствие появления в схеме индуктивности между входом преобразователя и компенсатором. Результаты опытов и расчетов индуктивных сопротивлений показывают, что с учетом внесенной индуктивности отопительной обмотки

/е

собственная частота всего звена при емкости конденсатора КРМ С=300 мкФ составит 113 Гц (собственная частота компенсатора при этом - 135 Гц). Уменьшение собственной частоты компенсатора также приводит к снижению эффективности его работы. Оптимальным является подключение компенсатора непосредственно ко вторичной стороне тяговой обмотки.

Во второй главе представлены результаты теоретического анализа электромагнитных процессов в системе электрической тяги переменного тока при двухзвенном компенсаторе и расчеты для варианта подключения на вход преобразователя.

Для анализа принята электрическая схема, изображенная на рис.З- На схеме показан источник неискаженного питающего напряжения U, индуктивность ¿т,- тяговой сети, индуктивность Ln трансформатора ЭПС. U3 - это напряжение на токоприемнике ЭПС. Двух-звенный компенсатор подключен непосредственно на вход выпрями-тельно-инверторного преобразователя. Индуктивность La и емкость Са образуют звено "а" компенсатора, а индуктивность ¿„ и емкость Св - звено "в" компенсатора. Как правило, звено V имеет собственную частоту 150 Гц, что соответствует нулевому полному сопротивлению za данного звена для 3-й гармонической тока. Звено "в" при этом обычно настраивают на частоту 250 Гц, что соответствует нулевому полному сопротивлению z„ данного звена для 5-й гармонической тока. В идеальном случае такая настройка звеньев КРМ позволяет полностью устранить 3-ю и 5-ю гармонические тягового тока и снизить вес остальных высших гармонических составляющих. Однако анализ выполнен в общем виде, справедливом для различных собственных

Рис.Л. Расчетная схема ЭПС с двухзвенным компенсатором реактивной мощности при подключении последнего на вход преобразователя

Принятые допущения по-прежнему заключаются в том, что при анализе тиристоры преобразователя полагаем идеальными, а активными потерями в элементах пренебрегаем. Исходные уравнения для мгновенных значений напряжений и токов получены и решены по аналогии со случаем однозвенного компенсатора.

Далее посредством описанной выше методики были исследованы разные варианты компенсаторов с различными параметрами. Расчеты показали, что применение даухзвенного компенсатора позволяет практически полностью подавить 3-ю и 5-ю гармонические тягового тока. Расчетным для этого компенсатора, в отличие от однозвенного,, является режим часовой нагрузки при работе электровоза рядом с тяговой подстанцией. В зависимости реактивной мощности конденсатора £)с(С) имеется ярко выраженный минимум, который находится для различных вариантов емкостей и их соотношений для выбранных параметрах оборудования электровоза ВЛ65 в пределах 2000<С<3000 мкФ. При выборе элементов КРМ в данном случае следует ориентироваться на этот диапазон значений суммарной емкости.

. УЗ -.у.

Следует отметить, что коэффициент мощности не зависит от соотношения С/Сь (по крайней мере, в рассмотренном диапазоне соотношений), а только от суммарной емкости. Наибольшее влияние изменение соотношения емкостей звеньев "а" и "в" оказывает на напряжения, прикладываемые к конденсаторам и дросселям КРМ. Изменение соотношения с 2 до 3 приводит к выравниванию напряжений на элементах обоих звеньев. При соотношении С/Св*=3 напряжения на дросселях звеньев "а" и V- практически равны (разница для рассматриваемого диапазона находится в пределах 10 В). В то же время при соотношении Са/Св=2 разница составляет более 300 В. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании двухзвенных компенсаторов для выбора изоляции дросселя.

В указанном диапазоне емкости коэффициент мощности на токоприемнике электровоза при номинальной нагрузке и номинальных параметрах системы электроснабжения (11=25 кВ, Хк=0 Ом) составляет от 0,977 до 0,99. Применение двухзвенного КРМ с точки зрения повышения коэффициента мощности более эффективно, чем однозвенного. Для примера, при одной и той же суммарной емкости конденсаторов 1000 мкФ на электровоз, коэффициент мощности в номинальном режиме составляет 0,904 (при /0=135 Гц) при подключении однозвенного КРМ, и 0,957 при подключении двухзвенного. Однако при этом возрастает нагрузка конденсаторов. Общий ток ]к в звене компенсатора - от 1700 А и выше, тогда как в случае однозвенного КРМ с такой же емкостью конденсаторов ток в 3 раза меньше. Такое увеличение тока может привести к повышенным массо-габаритным показателям устройства и в конечном счете затруднить возможность его установки на электровозе без существенных изменений серийных конденсаторов и дросселей.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных испытаний компенсаторов реактивной мощности на опытном элек-

тровозе ВЛ85-155 в условиях эксплуатации на Красноярской ж.д. и на макетном образце электропоезда ЭНЗ с асинхронными тяговыми двигателями на экспериментальном кольце ВНИИЖТа.

Для оценки эффекта от применения КРМ в условиях эксплуатации в сентябре 1995 года на участке Красноярск - Тайшет были проведены испытания грузового электровоза ВЛ85-155. При этом осуществлялись поездки с графиковыми поездами и с вагоном-лабораторией ВНИИЖТ. Для регистрации и расчета параметров потребления активной и реактивной энерпш локомотив был оборудован специализированным измерительно-вычислительным комплексом на основе ПЭВМ 1ВМ РС АТ 486БХ2. В состав комплекса также входили аналого-цифровые преобразователи и датчики ЪЕМ для измерений токов и напряжений. Для большей наглядности результатов в поездках на одной из секций КРМ был включен, а на другой - отключен. Таким образом удалось зафиксировать "чистый" эффект от действия компенсатора.

В процессе испытаний каждые 5 секунд регистрировались кривые напряжения в контактной сети и токов секций электровоза в ре-

(

жимах тяги и рекуперативного торможенйя, а также скорость поезда. Непосредственно вслед за регистрацией производился расчет полной, активной и реактивной мощностей, а также коэффициента мощности для каждой секции электровоза. Это позволило получить экспериментальные статистические данные о скоростях движения грузовых поездов на участке и нагруженности локомотива Результаты испытаний показали, что применение компенсатора позволяет снизить потребление электровозом реактивной мощности в 1,5 - 2 раза в режиме тяги и в более чем в 2 раза в режиме рекуперации. КРМ с суммарной емкостью 380 мкФ на ВИП позволяет поддерживать коэффициент мощности в режиме тяги на уровне 0,88 - 0,89, а в режиме рекуперации -0,66 - 0,7. В то же время на секции с некомпенсированным ВИП эти

показатели составляют соответственно 0,77 - 0,85 в тяге и не выше 0,56 в рекуперации. При варианте КРМ с суммарной емкостью 570 мкФ на ВИП коэффициент мощности в режиме тяги практически зо всем диапазоне нагрузок более 0,9, а в режиме рекуперации - более 0,8.

Важным также представляется определение интегрального потребления активной и реактивной энергии и интегрального коэффициента мощности за поездку. Таким путем можно оценить эффективность КРМ за все время работы электровоза на данном участке. При анализе интегральных энергетических показателей необходимо определенное внимание уделить и режиму рекуперативного торможения. Последнее существенно ухудшает интегральный баланс потребления активной и реактивной энергии, так как расход активной энергии уменьшается, а потребление реактивной энергии увеличивается.

Анализ результатов расчета указанных интегральных показателей позволил заключить следующее. Применение компенсатора привело к снижению реактивной энергии в 1,5 - 4,5 раз в режимах тяги и рекуперации. Повышение интегрального коэффициента мощности составило:

- в режиме тяги от 15 % при суммарной емкости на ВИП 380 мкФ до 23 % при суммарной емкости на ВИП 570 мкФ;

- в режиме рекуперации от 14,5 % при суммарной емкости на ВИП 380 мкФ до 29,5 % при суммарной емкости на ВИП 570 мкФ.

Средний коэффициент мощности в режиме тяги составил:

•- секция с компенсированными ВИП - не менее 0,9;

• секция с некомпенсированными ВИП - не более 0,8;

в режиме рекуперации:

• секция с компенсированными ВИП - не менее 0,65;

• секция с некомпенсированными ВИП - не более 0,5.

Испытания в условиях эксплуатации подтвердили эффектов-

ность КРМ в части повышения коэффициента мощности ЭПС переменного тока в режимах тяги рекуперативного торможения.

Испытания КРМ на макетном образце электропоезда с асинхронными тяговыми двигателями проводились на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в декабре 1996 г. для исследования электромагнитных процессов в цепи КРМ с целью уточнения параметров элементов компенсатора Преобразователи электропоезда включают инверторы тока и ВИП с двумя зонами регулирования. По техническим условиям на электропоезд коэффициент мощности на токоприемнике в номинальном режиме должен быть не ниже 0,88. Достичь этого можно только при использовании бортового КРМ.

Вследствие нехватки места на моторном вагоне предусмотрено размещение КРМ на прицепном вагоне электропоезда Подключение КРМ к обмотке отопления тягового трансформатора производится посредством контакторов. При проведении испытаний была предусмотрена возможность изменения параметров компенсатора и настройки его частоты.

Исследование процессов в цепи КРМ проведено при различных режимах работы электропоезда: без нагр^ки, в тяге и рекуперации при различных углах регулирования и вариантах емкости конденсатора 370 и 740 мкФ. Подключение КРМ с конденсатором ёмкостью 370 мкФ не обеспечило требуемого коэффициента мощности. Причины этого - увеличенное значение минимального угла регулирования на второй зоне и подключение КРМ к обмотке отопления. Последнее обстоятельство приводит к внесению в цепь КРМ дополнительного индуктивного сопротивления и, как показано выше, снижению эффективности его работы. Дальнейшие испытания проводились при ёмкости конденсатора КРМ 740 мкФ. Коэффициент мощности при часовой нагрузке составил 0,88. (соответствующий коэффициент мощности без КРМ составил 0,81). Конденсаторы КРМ работали с на-

грузкой примерно 60 % от номинальной. При установленной мощно. сти двух банок КРМ 250 кВАр их мощность при испытаниях составила всего около 160 кВ Ар.

Испытания показали, что по компенсатору реактивной мощности при нагруженном ВИПе протекает несинусоидальный ток, увеличивающий действующее и амплитудное лесинусоидальное напряжение на дросселе. Установлено, что в зависимости от параметров КРМ амплитуда повторяющихся напряжений может превышать действующее значение в 3,5 4 раза, что необходимо учитывать для выбора изоляции дросселя.

Результаты исследований и испытаний на макетном образце были использованы при разработке технических требований к электропоезду ЭНЗ. Электропоезд ЭНЗ в настоящее время изготавливается на НЭВЗе.

В четвертой главе проведен сравнительный анализ эффективности КРМ, включающих одно и два звена, и определены возможные пути повышения эффективности работы компенсаторов.

В отличие от стационарных, бортовые компенсаторы реактивной мощности имеют жесткие ограничения по массе и габаритам. Это обстоятельство не позволяет увеличивать установленную мощность конденсаторов КРМ выше определенного уровня. В этих условиях необходимо повышать эффективность работы КРМ. Применение двухзвенного КРМ позволяет получить более высокий коэффициент мощности на токоприемнике ЭПС, однако в отечественной практике бортовые дв^хзвенние компенсаторы реактивной мощности практически не использовались. Сравнительный анализ эффективности применения однозвенного и двухзвенного компенсаторов проведен по результатам описанных выше исследований.

При максимальном удалении электровоза от тяговой подстанции увеличение коэффициента мощности при часовой нагрузке электровоза и минимальном угле регулирования составляет:

• при однозвенном КРМ - от 8 до 17 %;

• при двухзвенном КРМ - от 15 до 20 %.

В номинальном режиме работы электровоза (напряжение на токоприемнике составляет 25 кВ, электровоз находится рядом с тяговой подстанцией) увеличение коэффициента мощности составляет:

• при однозвенном КРМ - от 4,2 до 10 %;

• при двухзвенном КРМ - от 9,5 до 13,5 %.

Одновременно с повышением коэффициента мощности применение КРМ снижает уровень гармоник в тяговой сети. При этом снижаются потери энергии в тяговой сети и улучшается работа релейной защиты, облегчается ее настройка.

Для. определения величины реактивной мощности, вырабатываемой единицей емкости конденсатора, использован показатель на-груженности О ¿С конденсаторов КРМ. Применяя его, можно подобрать конденсатор и. определить степень загрузки последнего. При одинаковой емкости конденсатора однозвенного и конденсаторов обоих звеньев двухзвенного КРМ нагруженность конденсаторов последнего в 1,5-2 раза больше, нежели однозвенного. Ток в звеньях и напряжения на элементах двухзвенного КРМ также Также значительно превышают соответствующие показатели однозвенного. Эти обстоятельства ведут к повышению массы и габаритов устройства. Учитывая высокую эффективность двухзвенного КРМ, для сохранения массо-габаритных показателей устройства на необходимом уровне можно дополнительно изготовить конденсаторы и дроссели с требуемыми параметрами.

Снижение массо-габаритных показателей КРМ с улучшением использования конденсаторов в них достигается за счет применения принудительного охлаждения конденсаторов, которое конструктивно может быть совмещено с системой охлаждения преобразователей. С целью определения возможности по условиям нагрева использования

конденсаторов при повышенном несинусоидальном напряжении, были проведены их тепловые испытания.

Испытания выполнены для различных режимов синусоидального и несинусоидального напряжения при естественном и принудительном охлаждении. Режим нагрузки конденсатора высшими гармоническими составляющими осуществлялся подключением его к физической модели КРМ электровоза. Результаты испытаний показали, что применение принудительного воздушного охлаждения в значительной мере снижает степень нагрева корпуса и пакета конденсатора. При равенстве действующих значений синусоидального и несинусоидального напряжений установившееся превышение температуры нагрева пакета в обоих случаях практически одинаковое, если одинаковы условия охлаждения. Это справедливо при спектре высших гармоник тока и напряжения, аналогичном реальным спектрам напряжения и тока КРМ ЭПС. Следовательно, влияние высших гармоник на нагрев конденсатора оказывается незначительным.

Применение принудительного охлаждения позволяет увеличить рабочее напряжение на конденсаторе до 1,3 £/„ без превышения допустимой температуры. Реактивная мощность конденсаторов при этом увеличится почти в 1,7 раза, что позволит уменьшить их количество в батарее. Применение же конденсаторов в КРМ на ЭПС переменного тока без принудительного охлаждения потребует снижения напряжения на них существенно ниже номинального. Для обеспечения требуемой реактивной мощности необходимо увеличить массу и габариты батареи КРМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенные теоретические исследования процессов в системе электрической тяги переменного тока при подключении различных типов компенсаторов реактивной мощности (однозвенного и двухзвенного) позволили создать методику определения параметров КРМ и сравнить эффективность их применения. Исследования вы-

полнены в общем виде и в результате получены расчетные формулы для определения параметров двухзвенного и однозвенного компенсаторов.

2. Установлено, что оптимальной является та емкость конденсатора, при которой реактивная мощность этого конденсатора используется наиболее полно во всем диапазоне нагрузки ЭПС и при различном удалении от тяговой подстанции.

3. Установлены расчетные режимы для выбора реактивной мощности конденсаторов КРМ:

• при однозвенном компенсаторе расчетным может быть либо режим холостого хода ЭПС, либо режим номинальной нагрузки электровоза при работе выпрямителя с минимальным углом открытия тиристоров. В обоих случаях предполагается размещение электровоза на наибольшем удалении от тяговой подстанции.

• при двухзвенном компенсаторе расчетным является режим номинальной нагрузки электровоза при работе выпрямителя с минимальным углом открытия тиристоров при размещении электровоза вблизи тяговой подстанции.

3. Эксперименты на опытном электропоезде с асинхронными тяговыми двигателями проведены при однозвенном КРМ с емкостью 370 и 740 мкФ и индуктивным сопротивлением тяговой сети от 4,5 до 16,5 Ом. Применение компенсатора, позволило повысить коэффицит ент мощности на токоприемнике электропоезда в режиме тяги при номинальном токе до 0,88, что соответствует техническим условиям (коэффициент мощности без КРМ в том же режиме составил 0,81),

4. Результаты испытаний были использованы при разработке технических требований к пассажирскому электровозу ЭП200 и электропоезду ЭНЗ. Опытный образец указанного электровоза изготовлен и проходит наладочные испытания. Электропоезд ЭНЗ в настоящее время изготавливается на НЭВЗе.

5. Повышение эффективности двухзвенного КРМ в сравнении с однозвенным сильнее всего проявляется при работе электровоза вдали от тяговой подстанции. Увеличение коэффициента мощности при однозвенном компенсаторе от 8 до 17%, при двухзвенным с той же суммарной емкостью - от 15 до 20%.

6. Применение бортовых КРМ снижает уровень гармоник в тяговой сети и повышает cos (р. Одновременно улучшается работа релейной защиты, облегчается ее настройка.

7. Принудительное воздушное охлаждение является эффективным средством снижения температуры корпуса и пакета конденсаторов, допускающим по условиям нагрева повышение приложенного к ним напряжения с соответствующим увеличением используемой мощности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Широченко H.H., Похель В.Б. Тепловые испытания силовых косинусных конденсаторов с экологически чистым наполнителем И Вестник ВНИИЖТ. 1994. № 7. с. 36-39.

2. Похель В.Б. Компенсатор реактивной мощности для электровоза переменного тока. Тезисы доклада на конференции "Состояние и перспективы развития локомотивостроения". Новочеркасск, 1994.

3. Похель В.Б. Теория и практика применения компенсаторов реактивной мощности в системе электрической тяги переменного тока. Тезисы доклада на научно-технической конференции "Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств." Суздаль, 1995 г.

4. Похель В.Б., Покровский C.B., Широченко H.H. Выбор параметров компенсатора реактивной мощности грузового электровоза с учетом среднеэксплуатационного баланса потребления активной и реактивной энергии//Вестник ВНИИЖТ. 1997 №4 с. 21-26.

Похель Владимир Борисович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

»

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог н тяга поездов

Подписано к печати /&-09- 9&ь_

Формат бумаги 60 х 90 1/16 объем № п.л. Заказ 2Ь 3 Тираж 100 экз.

Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская, 10.

МПС РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ПОХЕЛЬ ВЛАДИМИР БОРИСОВИЧ

УДК 629.4.064.5

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д^дЬу-нро^ессор В.А.Кучумов

Москва, 1998 г.

Содержание

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ОДНОЗВЕННОМ КОМПЕНСАТОРЕ И КОНЕЧНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ СГЛАЖИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА..............11

1.1. Постановка задачи и цели исследования.................................11

1.2. Описание токов и напряжений в схеме замещения и их гармонический состав при произвольном размещении компенсатора...............................................................................19

1.3. Расчетные уравнения и определение параметров компенсатора при размещении на входе ВИП........................39

1.4. Особенности подключения компенсатора к дополнительной обмотке тягового трансформатора...........................................61

2. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ДВУХЗВЕННОМ КОМПЕНСАТОРЕ И КОНЕЧНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ СГЛАЖИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА..............68

2.1. Описание токов и напряжений в схеме замещения и их гармонический состав при размещении двухзвенного компенсатора на входе ВИП.....................................................68

2.2. Определение параметров двухзвенного компенсатора реактивной мощности................................................................82

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ..............................................92

3.1. Испытания электровоза ВЛ85 с компенсаторами реактивной мощности в условиях эксплуатации........................................92

3.2. Испытания компенсатора на электропоезде с асинхронными тяговыми двигателями..............................................................99

3.2.1. Подготовка к испытаниям и размещение КРМ на электропоезде...................................................................99

3.2.2. Методы и результаты испытаний.................................101

3.2.3. Анализ работы КРМ и особенностей выбора его оборудования..................................................................110

3.2.4. Исследование процессов в КРМ при различных способах его включения................................................124

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЕНСАТОРОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ЭПС И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ..................................................................................133

4.1. Сравнение эффективности однозвенного и двухзвенного компенсаторов..........................................................................133

4.2. Повышение эффективности использования конденсаторов КРМ............................................................................................141

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ 3....................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ 4....................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт был и остается главной связующей основой экономики России. Железные дороги являются одним из основных звеньев технологического процесса, обеспечивающего устойчивое функционирование народного хозяйства и жизнеобеспечения населения. Ими выполняется около 55 % общего грузооборота и 33 % пассажирских перевозок в стране. Протяженность магистральных железных дорог, проходящих по территории России, составляет порядка 87,5 тыс.км. Из них электрифицировано около 40 %. Свыше половй-ны всех электрифицированных участков (20,6 тыс.км.) приходится на долю системы переменного тока. В структуре электропотребления железных дорог основную часть - 77,7 % составляет расход на тягу поездов. В условиях снижения объема грузо- и пассажироперевозок, роста цен на энергоносители и возросшей конкуренции со стороны других видов транспорта Министерство путей сообщения в качестве приоритетной поставило задачу снижения эксплуатационных расходов.

Один из основных путей решения поставленной задачи - экономия топливно-энергетических ресурсов путем повышения энергетических показателей эксплуатирующегося подвижного состава за счет их модернизации. В то же время перспективный электроподвижной состав должен отвечать современным требованиям не только по тяговым, но и по энергетическим характеристикам.

В настоящее время почти половину эксплуатируемых магистральных электровозов составляют электровозы переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями. При этом только 13 % приходится на долю тиристорных электровозов с зонно-фазовым регулированием, таких, как грузовые ВЛ80Р и ВЛ85 и пассажирские ВЛ65. Эти электровозы имеют ряд преимуществ перед диодными электровозами (ВЛ60К, ВЛ80С и др.). Важнейшими из них являются: плавное регули-

рование выпрямленного напряжения и возможность возврата электроэнергии в систему электроснабжения при рекуперативном торможении [1, 2, 3]. Однако, существенным недостатком любого электровоза с коллекторными тяговыми двигателями являются большие габариты последних. К настоящему моменту все возможности повышения мощности электровозов переменного тока за счет применения более мощных двигателей исчерпаны. В утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации федеральной целевой программе [4] приоритет отдан электроподвижному составу (ЭПС) с тяговым приводом переменного тока и бесколлекторными тяговыми двигателями. Подобная ситуация складывается и с электропоездами. Уже построен и проходит наладочные испытания скоростной пассажирский электровоз ЭП200 с вентильными тяговыми двигателями, изготавливается опытный образец электропоезда ЭНЗ с асинхронными тяговыми двигателями.

Основными: энергетическими показателями электроподвижного состава переменного тока являются коэффициент полезного действия и коэффициент мощности на токоприемнике. По этим показателям диодные электровозы опережают тиристорные. Последние имеют пониженный коэффициент полезного действия за счет дополнительных потерь в преобразователе и повышенной пульсации выпрямленного тока. Помимо того, реализованный способ регулирования выпрямленного напряжения путем изменения угла открытия (регулирования) тиристоров может приводить к повышенному потреблению реактивной мощности и искажениям питающего напряжения. В наибольшей степени это проявляется при больших углах регулирования. Следствиями указанных недостатков являются повышенный удельный расход электрической энергии, дополнительная загрузка элементов тяговой сети и электровоза реактивными токами [5, 6, 7].

Для повышения энергетических показателей тиристорного ЭПС переменного тока применяются различные методы [8, 9]. Болыпинст-

во из них направлено на повышение коэффициента полезного действия электровоза и сводятся в основном к повышению коэффициента полезного действия отдельных элементов силового электрооборудования и к снижению расхода энергии на собственные нужды путем регулирования скорости вращения мотор-вентиляторов. Коэффициент мощности в основном зависит от выбранного тягового привода и, в меньшей степени, от параметров тягового трансформатора. В настоящее время известен преобразователь, обеспечивающий коэффициент мощности, практически равный 1 во всех режимах работы - это четырехквадрантные преобразователи в сочетании с инверторами напряжения и асинхронными тяговыми двигателями. Электровозы с таким тяговым приводом производятся только за рубежом (Германия, Швейцария и др). Другой путь повышения коэффициента мощности электроподвижного состава переменного тока - применение емкостных компенсаторов на входе силовых преобразователей.

В настоящее время необходимый уровень коэффициента мощности системы электрической тяги переменного тока достигается применением стационарных устройств компенсации реактивной мощности (КРМ) [10, 11]. Указанные устройства располагаются, как правило, на тяговых подстанциях. Хотя этот способ достаточно надежен и экономически оправдывает себя, целесообразнее повышать коэффициент мощности самого ЭПС. Коэффициент мощности на токоприемнике является одной из основных энергетических характеристик ЭПС переменного тока и представляет собой отношение активной и полной потребляемой мощности. Такое решение будет эффективнее стационарных КРМ, если модернизированные преобразователи ЭПС будут проще и дешевле применяемых теперь и не вызовут затруднений в их размещении на ЭПС по массогабаритным показателям.

Работы по улучшению энергетических характеристик ЭПС переменного тока проводятся во ВНИИЖТе, ВЭлНИИ, МГУПСе, МЭИ

и других научно-исследовательских организациях , а также за рубежом (Япония, Франция). Вопросами повышения коэффициента мощности ЭПС переменного тока и системы электрической тяги в целом в разное время занимались доктора технических наук А.В.Каменев, В.А.Кучумов, Р.Р.Мамошин, Б.А.Метелкин, Б.Н.Тихменев, В.Д.Тулупов, кандидаты технических наук Б.М.Бородулин, Л.А.Герман, А.Л.Лозановский, И.В.Павлов, Н.Н.Широченко.

Известны несколько путей решения этой проблемы: система им-пульсно-фазового регулирования РИФ, секторное регулирование напряжения тиристорных преобразователей, применение емкостных КРМ на входе преобразователей ЭПС [12].

Система РИФ была создана в СССР в начале 80-х годов. Принципиальная особенность ее заключается в использовании колебательного процесса в контуре, состоящем из индуктивности цепи переменного тока и емкости входного фильтра [13]. Указанная система была реализована на электровозе ВЛ80Р и электропоезде ЭР29. Однако при испытаниях наблюдалась неустойчивая работа преобразователей РИФ, в связи с чем нормальная работа оказалась невозможна и исследования системы РИФ были прекращены.

Секторное или зонное регулирование напряжения тиристорных преобразователей является действенным методом повышения коэффициента мощности ЭПС [8, 9]. Оно заключается в применении вместо одного выпрямительного моста двух или более с соответствующим секционированием вторичной обмотки тягового трансформатора. Угол отпирания тиристоров регулируется в заданных пределах при работе на каждой зоне регулирования. При включении в работу очередной зоны, предыдущая начинает работать в режиме неуправляемого моста, т.е. импульс управления приходит на тиристоры в момент появления на них потенциальных условий. Чем больше зон регулирования, тем выше уровень значений коэффициента мощности во

всем диапазоне регулирования. В настоящее время все тиристорные электровозы переменного тока, эксплуатирующиеся на железных дорогах России (ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65) выполнены с зонно-фазовым регулированием. Они имеют четыре зоны регулирования. Выпрямитель-но-инверторные преобразователи этих электровозов включают в себя три параллельно соединенных моста. Недостатком такой системы регулирования является существенно большее количество тиристоров и сопутствующего оборудования. Это приводит к значительному увеличению массогабаритных показателей и стоимости ВИП и электровоза в целом. Существует еще одна особенность зонно-фазового регулирования: значение коэффициента мощности на конце последней зоны регулирования, т.е. при минимальном угле регулирования, практически не зависит от числа зон регулирования. По принятой в настоящее время методике, в технических условиях на электровоз нормируется именно этот показатель при номинальном токе электровоза, и применение зонно-фазового регулирования не позволяет его повысить.

Последний из указанных способов - подключение емкостных КРМ на вход преобразователей ЭПС - применен на ряде электровозов и электропоездов за рубежом - во Франции, Японии [14, 15]. На первый взгляд он представляет собой перенос стационарных КРМ на борт ЭПС, и поэтому должен уступать в экономичности. Причина этого в том, что не весь ЭПС в данный момент времени используется на линии - часть его находится в ремонте, отстое, резерве, и общая установленная мощность компенсирующих устройств в случае размещения их на борту должна быть больше, нежели при стационарном размещении. Однако, применение бортовых КРМ позволяет упростить преобразователи ЭПС и снизить установленную мощность стационарных компенсирующих установок [16,17]. Емкостные устройства КРМ в виде ХС-цепей, подключенных ко вторичной обмотке тяго-

у

вого трансформатора (т.е. на вход преобразователя), могут быть выполнены в однозвенном и двухзвенном варианте.

К настоящему моменту КРМ были установлены на двух отечественных электровозах BJI85-023 и ВЛ85-155. Первый был оборудован в 1987 г. силами ВНИИЖТ при участии ВЭлНИИ. КРМ каждого вы-прямительно-инверторного преобразователя включал в себя четыре параллельно соединенных конденсатора и дроссель, подключенные на 3/4 вторичной обмотки тягового трансформатора. Испытания показали, что КРМ является эффективным средством повышения коэффициента мощности электровозов переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения. На основании благоприятных результатов испытаний макетных образцов компенсированных преобразователей на электровозе ВЛ85-023, в 1990г. был спроектирован и построен НЭВЗом электровоз ВЛ85-155 с КРМ. Схема КРМ, алгоритмы работы и принципы управления нового электровоза были аналогичны предшествующему. Изменения затронули параметры, систему управления, места подключения КРМ к обмоткам тягового трансформатора, конструкцию, компоновку и расположение элементов КРМ на электровозе. Было принято решение подключить компенсатор на полное напряжение вторичной обмотки тягового трансформатора. При использовании того же, что и на электровозе ВЛ85-023, типа конденсаторов их необходимо было соединять по два последовательно. Компенсатор с четырьмя (два последовательно, два параллельно соединенными) конденсаторами оказался малоэффективен, потому что конденсаторы были недогружены по напряжению, т.е. использовались не на полную мощность. Число банок конденсаторов было увеличено до шести (три параллельных цепи по два конденсатора в каждой). По результатам испытаний этого электровоза было проведено сравнение энергетических показателей двух электровозов с КРМ. Энергетические показатели электровоза ВЛ85-155 оказались ниже, чем на электровозе ВЛ85-023, несмотря на большую установленную

Уо

мощность конденсаторов (750 кВАр на один ВИП на электровозе ВЛ85-155 против 500 кВАр на электровозе ВЛ85-023). Это можно объяснить недоиспользованием конденсаторов по мощности вследствие уменьшенного напряжения на них. Коэффициент мощности электровоза ВЛ85-155 в часовом и длительном режимах тяги практически не превышал значения 0,9 и имел существенно заниженные значения в началах зон регулирования.

Актуальность проблемы повышения коэффициента мощности возросла с утверждением Прейскуранта 09-01 «Тарифы на электрическую и тепловую энергию», введенного в действие с 01.01.1991 г [18]. Прейскурантом установлена оплата потребляемой реактивной энергии, причем существенно большая при превышении определенной нормы[19]. В настоящее время применение бортовых устройств КРМ заложено в технические задания на новые пассажирские электровозы и электропоезда(например, ЭП200 с вентильными тяговыми двигателями, ЭП1 с коллекторными тяговыми двигателями, электропоезд ЭНЗ- с асинхронными тяговыми двигателями). Перечисленный ЭПС имеет различный тип тягового привода. Однако в его составе везде присутствует выпрямительно-инверторный преобразователь, который регулируется посредством изменения угла отпирания тиристоров. На ЭП200 и ЭНЗ эти преобразователи выполнены двухзонными. Обеспечение требуемого уровня коэффициента мощности на токоприемнике ЭПС в указанных случаях возможно только при использовании бортовых КРМ.

Целью работы является комплексное теоретическое и экспериментальное исследование путей повышения эффективности работы различных вариантов бортовых устройств КРМ ЭПС переменного тока. Рассмотрена теория работы однозвенного и двухзвенного компенсаторов. Разработана методика определения оптимальных параметров КРМ для любого типа ЭПС переменного тока с тиристорными преобразователями и зонно-фазовым регулированием.

1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ОДНОЗВЕННОМ КОМПЕНСАТОРЕ И КОНЕЧНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ СГЛАЖИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА

1.1. Постановка задачи и цели исследования.

Емкостные устройства компенсации реактивной мощности в виде ХС-цепей, подключенных ко вторичной обмотке тягового трансформатора (т.е. на вход преобразователя), вносят отличия в электромагнитные процессы преобразователей и систем�