автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение энергетических показателей электровоза переменного тока путем снижения пульсаций в цепи выпрямленного тока

На правах рукописи

БОБРОВНИКОВ ЯКОВ ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ В ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хабаровск - 2007

003068244

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС).

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Кулинич Юрий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Власьевский Станислав Васильевич

кандидат технических наук, доцент Васильченко Сергей Александрович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «10» мая 2007 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета К 218.003.01 ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 230.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан <Ф > » 2007 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим высылать в адрес диссертационного совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Принятая в ОАО «РЖД» программа «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» предусматривает совершенствование тягово-энергетических характеристик локомотивов и улучшение показателей их использования. Эти решения продиктованы спецификой локомотивного хозяйства, которым только на тягу поездов расходуется 83 % электроэнергии от ее общего потребления железнодорожным транспортом. Повышение энергетической эффективности тягового подвижного состава становится одним из приоритетных направлений стратегии железнодорожного транспорта. В соответствии с программой предусматривается экономия электроэнергии до 3 % за счет улучшения ее качества и снижение до 2 % энергоресурсов за счет увеличения скорости движения поездов.

Диссертационная работа посвящена решению важной народнохозяйственной проблеме повышения энергетических показателей электровоза за счет снижения пульсаций выпрямленного тока, позволяющих уменьшить потребляемый ток и увеличить коэффициент мощности, что определяет актуальность работы.

Целью работы является улучшение энергетических показателей электровоза переменного тока за счет снижения пульсаций в цепи выпрямленного тока.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

- разработана математическая модель электровоза с магнитосвязанными реакторами и компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока;

- предложена схема магнитного связывания сглаживающих реакторов;

- разработана структурная схема и система управления компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока.

Методика исследования:

Методика исследования основана на применении методов теории электрических цепей, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления и вычислительного эксперимента. При определении структуры и системы управления компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока применялись методы математического моделирования с использованием пакета прикладных программ ОгСЛЭ.

Научная новшна работы заключается в следующем: -разработан способ повышения энергетических показателей электровоза путем магнитного связывания сглаживающих реакторов;

- предложен способ повышения энергетических показателей электровоза за счет установки компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока;

- разработана математическая модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть — электровоз» с устройством по уменьшению пульсаций в цепи выпрямленного тока;

- разработана система управления компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- применение магнитосвязанных сглаживающих реакторов позволило уменьшить пульсации выпрямленного тока с 24,49 % до 11,8 % т. е. более чем в два раза;

- при включении магнитосвязанных сглаживающих реакторов с компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока достигнуто уменьшение пульсаций выпрямленного тока до 0,023 %;

- применение магнитосвязанных сглаживающих реакторов с компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока повышает коэффициент мощности электровоза на 1,2 % и уменьшает потребляемый ток на 2,91 %;

- разработанное устройство магнитосвязанных сглаживающих реакторов внедрено в депо Смоляниново;

- рассчитана экономическая эффективность от внедрения компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока на электровозе.

На защиту выносятся: -способ повышения энергетических показателей электровоза переменного тока за счет магнитного связывания сглаживающих реакторов и установки компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока;

- математическая модель «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» с устройством компенсации переменной составляющей выпрямленного тока;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по уменьшению пульсаций выпрямленного тока.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались и одобрены на: - региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транс-

портных вузов и инженерных работников «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения», Хабаровск, ДВГУПС, 19-20 декабря 2005 года; - восьмом краевом конкурсе-конференции молодых ученых'и аспирантов (Секция технических наук), Хабаровск, 17 января 2006 года; - 44-й всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности», Хабаровск, ДВГУПС, 25-26 января 2006 года; - региональной научно-технической конференции творческой, молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, ДВГУПС ,18-19 апреля 2006 года; - девятом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Секция технических наук), Хабаровск, 17 января 2007 года; - заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ДВГУПС (2006 - 2007 гг.); научно-техническом, расширенном заседании кафедры «Электроподвижной состав» ДВГУПС (2007); научно-техническом, расширенном заседании кафедры «Электроподвижной состав», Иркутск, ИрГУПС (2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, включая два патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 87 наименований и одного приложения. Содержит 132 страницы основного текста, 3 таблицы и 56 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации. Проведен анализ существующих устройств для уменьшения пульсаций выпрямленного тока, а также технических средств для решения поставленной задачи. Научной основой работы послужили исследования вопросов энергетики электровозов переменного тока, выполненные: Тихменевым Б. Н., Ротановым Н. А., Савоськи-ным А. Н., Кучумовым В. А., Феоктистовым В. П., Покровским С. В., Розановым Ю. К., Наумовым Б. М., Лозановским А. Л., Копаневым А. С., Мамоши-ным Р. Р., Иньковым Ю. М., Литовченко В. В., Власьевским С. В., Кулини-чем Ю. М. и др. авторами.

В первой главе проанализировано влияние пульсаций выпрямленного тока на энергетические показатели электровоза.

В цепи тягового электродвигателя (ТЭД) электровоза переменного тока протекает постоянный по направлению ток /„ имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением м„. Включение сглаживающего реактора в цепь двигателя способствует уменьшению пульсаций выпрямленного тока и, соответственно, магнитного потока Ф в обмотке возбуждения двигателя. Уменьшение пульсаций магнитного потока снижает искрение на коллекторе двигателя и улучшает условия его работы. Однако существуют ограничения по снижению пульсаций выпрямленного тока и магнитного потока. Они обусловлены тем, что индуктивность сглаживающего реактора и связанные с ней массогабаритные показатели реактора находятся в зависимости с внутренними размерами кузова подвижного состава. Следствием ограничения индуктивности сглаживающего реактора остаются значительные пульсации выпрямленного тока 1„ достигающие 25 30 %. Особенно это заметно в области малых нагрузок, когда реактор работает на ненасыщенной части кривой намагничивания.

Известно, что мгновенное значение пульсирующего напряжения выпрямителя и, уравновешивается противо - э. д. с. вращения якорей тяговых электродвигателей е„, которая в общем случае может также пульсировать, падением напряжения в активном сопротивлении цепи /„/?„ и э. д. с. самоиндукции Ьв(<Пг/(11), вызываемой пульсацией выпрямленного тока. Пренебрегая малой величиной ¡.Я, мгновенное значение пульсирующего напряжения выпрямителя определяется как

(Ч„

и. =е+Г

'* а '

(1)

где Ь, — общая индуктивность сглаживающих реакторов и тяговых двигателей.

Из анализа выражения (1) следует, что э. д. с. самоиндукции Ь/М/М) равна разности мгновенных значений напряжения выпрямителя и, и противо - э. д. с. двигателей е,.

На рис. 1 представлены кривые выпрямленного напряжения ив для случая ступенчатого регулирования напряжения ТЭД и пульсирующей противо - э. д. с. двигателей е„. рис ] Графическое представление э. д. с. самоиндукции

Э. д. с. самоиндукции ¿„(/И/Ж) представлена на рис. 1 штриховой линией и определяется как разность кривых и, и е„. Из рис. 1 следует, что полная пульсация переменной составляющей выпрямленного тока /„ равна:

Из анализа выражения (2) следует, что при постоянном значении индуктивности Ье полная пульсация переменной составляющей выпрямленного тока пропорциональна площади, заключенной между кривыми выпрямленного напряжения и, и э. д. с. двигателей е, в пределах двух смежных точек пересечения этих кривых и равна э. д. с. самоиндукции Ее.

Относительная величина пульсаций выпрямленного тока может быть оценена коэффициентом пульсаций:

(3)

В работах проф. Тихменева Б. Н. проанализировано влияние пульсаций выпрямленного тока на коэффициент мощности и потребляемый электровозом ток. Установлено, что при пульсирующем выпрямленном токе потребляемый электровозом ток /„ Эф равен эффективному значению пульсирующего тока и определяется как:

Из анализа выражения (4) следует, что потребляемый ток электровоза 1вэф зависит от среднего значения или постоянной составляющей пульсирующего тока /„ и коэффициента эффективности выпрямленного тока кв Зф, который определяется коэффициентом пульсаций кпи.

Установлено, что полное уменьшение пульсаций выпрямленного тока приводит к уменьшению потребляемого тока 2 4 % и, соответственно, к уменьшению расхода электроэнергии на тягу поездов. Уменьшение потребляемого тока снижает потери напряжения в активных сопротивлениях электрической цепи, за счет этого увеличивается на 5 % напряжение на токоприемнике электровоза. Увеличение напряжения в свою очередь приводит к повышению скорости движения электровоза на 2 * 2,5 %.

/

в >ф в Уф в '

(4)

В соответствии с методикой, изложенной проф. Тихменевым Б. Н., пульсация выпрямленного тока влияет на коэффициент мощности электровоза и при ступенчатом регулировании напряжения коэффициент мощности % связан с коэффициентом эффективности выпрямленного тока к« Зф соотношением:

ю

Кв }ф шв эф

где х„ - коэффициент мощности при кт = 0.

Более сложное влияние на коэффициент мощности оказывает пульсация выпрямленного тока при плавном регулировании напряжения. В этом случае коэффициент мощности равен

2^2 (cos а0 + cos ар )

X

т,

(6)

в эф

где а„ - задержка открытия тиристоров в начале полупериода, который составляет 9 + 2 эл. град.; Ор - угол регулирования.

В соответствии с выражениями (5) и (6) построены зависимости % и со$<р от коэффициента пульсаций и угла регулирования ар. Задержка открытия вентилей а„ при плавном регулировании напряжении принята 9° эл. град. Значения соъу (к„„) и х(к„0) для ступенчатого (а„ = ар = 0°) и плавного регулирования напряжения (ар > а„), приведены на рис. 2.

Из анализа кривых видно, что при ступенчатом регулировании (с^ = а„ = 0°) пульсации выпрямленного тока оказывают несколько большее влияние на со$(р, чем на коэффициент мощности %. При плавном регулировании напряжения на коэффициент мощности большое влияние оказывает угол регулирования ар, его увеличение уменьшает значение коэффициента мощности. При этом увеличение коэффициента пульсаций кпо также снижает коэффициент мощности электровоза.

Рис. 2 Зависимость коэффициента мощности X и со.ч/р от коэффициента пульсаций и угла регулирования ае

Во второй главе разработаны математические модели основных компонентов системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз».

В диссертационной работе использована математическая модель контактной сети, разработанная на кафедре «Электрическая тяга» МИИТа под руководством проф. Савоськина А. Н., которую следует рассматривать как цепь с распределенными параметрами. Участок линии длиной Ах может быть представлен Г - образной схемой замещения. Для учета явлений, связанных с поверхностным эффектом, проф. МИИТа Косаревым Б. И. предложено заменить продольную составляющую Г — образной схемы замещения комбинацией г и Ь элементов (рис. 3). В результате исследований установлено, что разбиение участка контактной сети с длиной Г-образного элемента Лк = 400 м вполне удовлетворяет требуемой точности расчетов. Моделируемые электромагнитные процессы в сети при такой схеме замещения наиболее приближенны к реальным.

Таким образом, принятая Г-образная модель с длиной элемента Ах = 400 м адекватна реально моделируемому участку контактной сети, состоящему из последовательно соединенных Г -образных элементов.

При моделировании электромагнитных процессов в качестве нагрузки выпрямительной установки используется коллекторный ТЭД. В качестве расчетной используется схема включения двигателя, представленная на рис. 4.

В расчете использованы динамические индуктивности тягового электродвигателя

Рис. 3 Модель линии, учитывающая нелинейность продольных параметров

г дин

ья+дп'

тдип

1?дв" предложенные проф. Савоськиным А. Н., действие вихревых токов 1т Рис. 4 Схема включения ТЭД

• учитывается по упрощенной схеме.

Система уравнений для реализации модели ТЭД имеет вид:

т

я+дп _

л

ждип

я+дп я+дп

' 1"ов*Ов ^'04

дин ^ов

<н

1я+дн 1ов ^ ^ш ' 1ов

1

л.,

я„

л

^Ов ''О* +

тдип

-0,25. С';Ф = |

Л ' " ' 2рн>ова Т °д

Для работа компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока требуется сгенерировать ток компенсатора по заданному закону. Этот ток формируется автономным инвертором напряжения (АИН), схема которого представлена на рис.5. В качестве ключевых элементов У51 -У84 используются полностью управляемые полупроводниковые приборы: ЮВТ-транзисторы, которые зашун-тированы обратными диодами У01-\'04. Транзисторы У51-У54 и диоды У01-\Т)4 образуют мостовые схемы, включенные встречно со стороны выводов постоянного напряжения. В диагональ мостов включена нагрузка в виде последовательного включенного сглаживающего реактора гср, 1-ср и согласующего дросселя

Импульсы управления транзисторами У81-У84 Г'ИС. 5 Автономный инвертор напряжения

формируются в соответствии с логическими функциями:

\1приивыА >0

УБ1 = УБ4

[0 при и(

вых 1

= о

\1 при = 0

= УЯЗ = <| а)

\0приивыЛ >0

(8)

где ив1а1 - сигнал с выхода 6 модулятора.

Для управления АИН используется метод <5 модуляции. Суть его заключается в том, что фактическое значение тока компенсатора не должно отличаться от заданного значения тока более чем на 181.

В качестве устройства, реализующего функции <5 модуляции, использован операционный усилитель (ОУ) с положительной обратной связью, осуществляемой

по неинвертирующему входу с помощью резисторов Я/, Я». Операционный усилитель включен по схеме триггера Шмитта с прямоугольной петлей зоны гистерезиса. Поскольку для управления АИН требуется уровень логического нуля и единицы, на выходе операционного усилителя установлен диод УО для получения однополярного напряжения

управления (рис. 6).

Рис. 6 Устройство 3 модуляции (а), его передаточная Для реализации идеи магни- характеристика (б)

тосвязанных сглаживающих реакторов принята математическая модель, представляющая собой совокупность двух обмоток, размещенных на общем сердечнике двух сглаживающих реакторов (рис 7).

К одной половине полуобмотки первого сглаживающего реактора гср/2, Ьср!2, соединенного с другой половиной полуобмотки другого сглаживающего реактора подводится напряжение ик/, а ко вторым половинам реакторов подводится напряжение ик2. Одноименными зажимами обмоток являются их верхние выводы.

Напряжение на каждой из обмоток содержит три составляющие: падение напряжения на активном сопротивлении гср12, Рис. 7 Модель магнитосвязанных реакторов со схемой замещения

напряжение самоиндукции и напряжение

взаимной индукции. Выражения, определяющие общую индуктивность цепи и суммарное индуктивное сопротивление, имеют вид:

+ + х = Хс.+2Хм. (9)

2 2 р

Степень индуктивной связи двух элементов цепи характеризуют коэффициентом магнитной связи который определяется как среднее геометрическое отношение потока взаимной индукции к потоку самоиндукции каждой катушки и имеет вид:

А,

М

св

Для работы компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока необходимо вычислить постоянную составляющую выпрямленного тока /„. Эта задача решена с помощью низкочастотного фильтра Баттерворта третьего порядка, который состоит из последовательного соединения фильтров первого и второго порядка.

В третьей главе описана методика решения систем дифференциальных уравнений, полученных в главе 2. Для моделирования электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть — электровоз», использован пакет прикладных программ для моделирования электрических схем OrCAD.

Тяговая подстанция мощностью 40 МВА представлена в модели в виде идеального источника синусоидального напряжения с последовательно включенными индуктивностью L„ и активным сопротивлением г„, характеризующим параметры вторичной обмотки тягового трансформатора подстанции. Участок тяговой сети выполнен в виде каскадного соединения Г - образных элементов, соответствующим участкам контактной сети длиной 400 метров.

В библиотеке пакета OrCAD отсутствует модель многообмоточного трансформатора, поэтому в соответствии с работами Власьевского С. В. и Кулини-ча Ю. М. трансформатор электровоза представлен в виде конфигурации из нескольких двухобмоточных трансформаторов, имеющихся в пакете OrCAD. Модель такого трансформатора задается индуктивностями первичной и вторичной обмоток, а также величиной взаимоиндуктивности между этими обмотками.

В модели выпрямителя выбрана библиотечная модель тиристора и диода пакета OrCAD. В целях проектирования силовой цепи электровоза с плавным регулированием напряжения изменены параметры модели тиристора в соответствии с режимами работы ВИП электровоза.

Моделирование работы аналогового фильтра Баттерворта производилось для нескольких вариантов с порядком п = 3 до п = 7. Исходя из анализа амплитудо -частотных характеристик и переходных кривых наилучшую характеристику для выделения постоянной составляющей выпрямленного тока имеет аналоговый фильтр Баттерворта третьего порядка.

Модель ТЭД реализована в соответствии с уравнениями (7). Для проверки адекватности этой модели был выполнен расчет затухания магнитного потока Ф(0 тягового двигателя НБ418 - Кб при его отключении от источника питания и проведено сравнение этой зависимости с экспериментальными данными этого же процесса.

Из рис. 8 видно, что расчетная кривая б довольно близко расположена к экспериментальной кривой а. При этом погрешность в измерениях составляет не более 15%, что вполне приемлемо для моделирования.

Ф

Ф,\ 0,8

0,6 0,4 0,2

К

\

\

О

0,16 0,32

0,48 Г, с

Для проверки полной адекватности Рис- 8 кРивая затухания магнитного потока

ТЭД НБ - 418К6: а) эксперимент; б) расчет.

системы «контактная сеть — электровоз»

был проведен сравнительный анализ расчетных кривых выпрямленного напряжения и выпрямленного тока электровоза с экспериментальными данными. Расчеты выполнялись для электровоза ВЛ65 на высшей (четвертой) зоне регулирования напряжения в режиме тяги с углами регулирования напряжения ар = ав - 9° эл.град. и ар = 45° эл.град. На рис. 9 представлены экспериментальные ив,(Ш) и 1Я,(Ш) и расчетные ивр(ю() и 1яр(ы1) кривые напряжений и токов.

Рис. 9 Кривые выпрямленного напряжения V, и ток якоря тягового электродвигателя I, при работе электровоза ВЛ65 на IV - ой зоне регулирования (1/„, /», - экспериментальные данные, и,/,, 1,р - результаты расчета): а) при угле регулирования ар = а„ = 9° эл.град.; б) при угле регулирования а„ = 45° эл.град. ,

Из анализа кривых видно, что смоделированные кривые выпрямленного напряжения и тока практически адекватны экспериментальным. Сравнительный

анализ этих кривых производился с помощью пакета прикладных программ Б1а115-Н'са. В качестве оценки критерия подобия кривых выбран коэффициент корреляции Пирсона. Результаты расчета показали, что коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,993, что свидетельствует о хорошей сходимости экспериментальных и расчетных кривых.

Таким образом, разработанная модель электровоза и контактной сети в полной мере отражает электромагнитные процессы, происходящие в цепи электровоза.

В четвертой главе обоснованны предложения по выбору структуры и системы управления устройством для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

Для снижения пульсаций выпрямленного тока предлагается разделить пополам обмотки сглаживающих реакторов и соединить их накрест, а также установить компенсатор переменной составляющей выпрямленного тока (рис. 10).

Рис. 10 Упрощенная схема силовых цепей электровоза однофазно-постоянного тока ВЛ65 с магнитосвязанными сглаживающими реакторами и компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока

Ток каждого выпрямителя ВИП1 и ВИП2 замыкается через цепь полуобмоток, расположенных на разных сердечниках обоих сглаживающих реакторов. При

магнитном связывании сглаживающих реакторов в каждой из его полуобмоток наводится э. д. с. взаимоиндукции, вызванная пульсациями тока, протекающего в смежных обмотках реакторов. Складываясь с э. д. с. самоиндукции это приводит к уменьшению интенсивности изменения выпрямленного тока и, соответственно, величины его пульсаций. Благодаря магнитной связи сглаживающих реакторов требуется установка только одного компенсатора, который обеспечивает сглаживание пульсаций в обоих блоках выпрямления.

Компенсатор, выполненный на базе АИН, генерирует переменную составляющую тока, которая складываясь в противофазе с пульсациями выпрямленного тока обеспечивает его полное сглаживание. Компенсация переменной составляющей выпрямленного тока осуществляется за счет реактивной энергии, накопленной в конденсаторе Сф, подключенного к выводам АИН. Пульсация выпрямленных токов 1„, и 1е2, связанная с работой АИН, ограничивается индуктивностью Ь„, которая играет роль согласующего элемента. Эта индуктивность воспринимает разность напряжений на выходе АИН и выпрямленного напряжения.

Компенсация переменной составляющей выпрямленного тока происходит следующим образом: с помощью датчика тока ДТ1 (рис. 10) формируется сигнал к1.1 пропорциональный фактическому значению выпрямленного тока 1в1, устройство вычисления заданного тока УВЗТ, реализованное на базе низкочастотного фильтра Баттерворта, выделяет постоянную составляющую выпрямленного тока /„. Для определения переменной составляющей выпрямленного тока которая должна быть скомпенсирована, с помощью элемента сравнения ЭС1 происходит вычитание значений фактического к1в! и постоянной составляющей ¿„ выпрямленного тока, на выходе ЭС1 формируется сигнал переменной составляющей выпрямленного тока и. Сигнал переменной составляющей выпрямленного тока /_ подается на первый вход элемента сравнения ЭС2, где он сравнивается с текущим значением выходного тока компенсатора 1К, контролируемым датчиком тока ДТ2. Разностный сигнал этих токов 1Р с выхода ЭС2 управляет работой порогового элемента ПЭ, имеющего гистерезисную характеристику с порогом срабатывания ± д (см. рис. 6). Импульсы, сформированные на выходе ПЭ, управляют через систему управления СУ работой ключевых элементов АИН. Переключения АИН сопровождаются изменением направления его выходного тока и происходят тогда, когда этот ток превышает или становится меньше заданного значения тока на

величину ±<5. Полученный в результате переключений пульсирующий выходной ток компенсатора изменяется около его заданной формы с отклонением, не превышающим ± 8. На рис. 11 представлены кривые токов, поясняющие работу компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока.

Разработанное устройство имеет преимущества, заключающиеся в том, что:

Рис. 11 Кривые токов, поясняющие работу

— в устройстве используются типовые компенсатора переменной составляющей

выпрямленного тока

сглаживающие реакторы, модернизированные для их магнитного связывания. На электровозе ЭП1 существенной модернизации сглаживающих реакторов не требуется, поскольку они представляют собой две раздельные обмотки, размещенные на одном магнитопроводе;

— для компенсации переменной составляющей тока требуется установка на электровозе (секции электровоза) только одного компенсатора, который благодаря магнитной связи реакторов обеспечивает компенсацию выпрямленного тока в смежном выпрямительном блоке;

— мощность АИН относительно невелика, поскольку он компенсирует только переменную составляющую тока. Кроме того, выходное напряжение компенсатора также мало, поскольку оно определяется небольшим по величине напряжением обмотки сглаживающего реактора. В этой связи в АИН можно использовать сравнительно маломощные ЮВТ-транзисторы;

— при сохранении уровня пульсаций 25 + 30 % благодаря магнитному связыванию реакторов можно устанавливать на электровозе реакторы меньшей индуктивности и размеров.

Вместе с тем компенсация пульсаций выпрямленного тока, кроме сглаживания тока, позволяет, во-первых, увеличить коэффициент мощности преобразователя и, во-вторых, уменьшить действующее значение потребляемого тока.

Расчеты на модели показали, что применение компенсатора снижает практически до нуля пульсации выпрямленного тока, хотя в его форме остаются высокочастотные составляющие, связанные с работой АИН. Поскольку эти пульсации имеют малую амплитуду, можно говорить о полной компенсации выпрямленного тока.

Оценка эффективности применения на электровозе магнитосвязанных сглаживающих реакторов, а также компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока производилась путем сравнительного анализа пульсаций выпрямленного тока и потребляемого тока по отношению к штатной схеме электровоза.

На рис. 12 а представлены кривые выпрямленного тока /, штатного электровоза и электровоза с магнитосвязанными сглаживающими реакторами, на рис. 12 б показан гармонический состав этих токов. Гармонический состав потребляемого тока /„ 3,/, для этих случаев показан на рис. 12 в. Соответствующие кривые выпрямленного и потребляемого токов для штатного электровоза и электровоза с магнитосвязанными сглаживающими реакторами с дополнительным включением компенсатора приведены на рис. 12 г-е. Во всех рассмотренных случаях постоянная составляющая выпрямленного тока равнялась 1700 А.

1,6 1,2

О

б) /, кА 1,6

1,2

0,8

0,4

0

в>1„ф, А 200

1 1........ ____ /д

________

Л)/,ГШ

10

20

30

100

200

г>1., кА 1,& 1,2 0,8 0,4 0

д) /., кА| 1,6

"20

о/ггш .....30

300 Гц

100

1 1

8 г г

1,2 0,8 0,4 0

А 200

100

100

200

300 Гц

100 200 300 Гц

,(- штатная схема электровоза

100

200 300 Гц

Рис, 12 Кривые выпрямленного тока и гармонический состав выпрямленного и потребляемого токов электровоза: а, б, в) схемы электровоза при магнитосвязанных сглаживающих реакторах г, д, е) схемы электровоза при дополнительном включении компенсатора

Анализ кривых токов рис. 12 а, г показал, что магнитное связывание реакторов приводит к снижению пульсаций выпрямленного тока, а при дополнительном включении компенсатора пульсации тока вообще отсутствуют. Гармонический состав кривых выпрямленного тока представленный на рис. 12 б и д свидетельствует, что для штатного электровоза пульсации выпрямленного тока 100 Гц имеют амплитуду 441,855 А, при магнитном связывании сглаживающих реакторов пульсация тока уменьшается до 228,436 А, а при дополнительном подключении компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока — до 0,392 А. При этом в последнем случае в форме тока присутствуют высокочастотные колебания, связанные с работой АИН. Таким образом, в перечисленных случаях коэффициент пульсаций выпрямленного тока составил, соответственно, 26; 13 и 0,023 %.

Коэффициент мощности при магнитосвязанных сглаживающих реакторах увеличился на 0,5 % и при включении компенсатора - на 1,2 %. Гармонический состав тока первичной обмотки трансформатора показал (рис. 12 в и е), что при штатной схеме электровоза потребляемый ток составил 241,845 А, в схеме с маг-нитосвязанными сглаживающими реакторами он уменьшился до 235,58 А, а при включении компенсатора его значение соответствует 229,92 А. Таким образом, потребляемый ток электровоза уменьшился на 2,59 % при магнитосвязанных сглаживающих реакторах, включение компенсатора привело к уменьшению тока на 4,93%.

Физическое моделирование работы устройства производилось в соответствии с его структурной схемой рис. 10. Для получения экспериментальных данных в схему измерения были установлены два понижающих трансформатора, вторичные обмотки которых подключены к двум смежным мостовым выпрямителям, к выходам которых подключен двигатель постоянного тока. Магнитосвязанные сглаживающие реакторы изготовлены на Ш - образном разомкнутом магнитопро-воде, на котором размещены две обмотки сглаживающего реактора. Применение разомкнутой магнитной системы сглаживающего реактора позволяет исключить насыщение магнитопровода постоянной составляющей выпрямленного тока. Реализованная схема соответствует реальным условиям работы двух выпрямительных блоков электровоза со ступенчатым регулированием напряжения. Общий вид установки для моделирования физических процессов представлен на рис. 13. Для обработки результатов измерения использовался аналого-цифровой преобразова-

1У

тел;, (АЦП) Ni USB - 6009 и программное обеспечение, поставляемое компанией National Instruments, а также двухлучевой осциллограф. В системе измерения использован измерительный преобразователь тока фирмы Honeywell, Благодаря применения в нем датчика Холла осуществляется гальваническая развязка сило-бой и измерительной части схемы. При физическом моделировании величина выпрямленного тока составляла 3 А.

Рис. 13 Общий вид установки для моделирования физических процессов С помощью полученных данных установлено, что в случае несвязанных реакторов (штатная схема электровоза со ступенчатым регулированием напряжения) пульсация выпрямленного тока составила 24,49 %(рис. 14).

Рис 14 Кривые выпрямленного тока в случае несвязанных рсак-шров; а) сигнал с осциллографа 6) сигнал с АЦП

При магнитосвязанных сглаживающих реакторах пульсация выпрямленного тока составила ] 1,8 % (рис. !5), т. е. величина пульсаций уменьшилась на 51,8 % по сравнению со штатной схемой. Таким образом, результаты математического и физического моделирования показали, что применение магнита с вязанных сглаживающих реакторов приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного тока приблизительно в два раза, что свидетельствует об эффективности применения на электровозе магнитосвязанных сглаживающих реакторов.

Рис. 15 Кривые выпрямленного тока при магнитосвязанных сглаживающих реакторах: а) сигнал с осциллографа б) сигнал с АЦП

IГотребляемый ток установки, измеряемый в первичной обмотке трансформатора при магнитосвязанных реакторах, уменьшился на 1,49% по сравнению со штатной схемой.

Для компенсации переменной составляющей выпрямленного тока пыл изготовлен АИН на базе IGBT - транзисторов типа G4BC30KD. Система управления АИН выполнена в соответствии с алгоритмом управления, представленном на рис. 10. При этом устройство задержки подачи импульсов на плечи АИН, обеспечивающее необходимое время задержки (dead time) при включении и отключении ЮВТ-транзисторов, реализовано на микросхемах средней степени интеграции. Устройство вычисления заданного тока выполнено на базе аналогового фильтра Баттерворта третьего порядка. Пороговый элемент, имеющий гистерезисную характеристику с порогом срабатывания ±S, реализован на базе операционного усилителя. Элементы сравнения ЭС1 и ЭС2 выполнены также на основе операционных усилителей.

В результате эксперимента с применением магнитосвязанных сглаживающих реакторов и установкой компенсатора подтверждено, что выпрямленный ток со-

ответствует постоянной величине 3 Л с отклонением на величину ± 3, которая составила ± 0,156 А (рис. 16). Отличия рис. 16 а и Ь можно объяснить недостаточной частотой дискретизации АЦП.

Рис. 16 Кривые выпрямленного тока при установке компенсатора переменкой составляющей выпрямленного тока: а) сигнал с осциллографа 6) сигнал с АЦП

Из анализа рис. 16 следует, что применение предлагаемого усггройства позволяет снизить практически до нуля пульсации выпрямленного тока /е, хотя в его форме остаются высокочастотные составляющие, связанные с работой АИН. Потребляемый ток установки при магнитосвязаняых реакторах и включении компенсатора уменьшился на 2,91 %ПО сравнению со схемой с несвязанными реакторами.

Для оценки результатов физического моделирования был также произведен расчет коэффициента корреляции Пирсона с помощью пакета программ Statistica. С учетом того, что физическое моделирование осуществлялось с малыми токами нагрузки, принят коэффициент масштабности равный 580, Полученное в результате расчета значение коэффициента корреляции Пирсона составило 0,99, что также свидетельствует о хорошей сходимости результатов физического моделирования с экспериментальными данными.

Таким образом, результаты физического моделирования подтвердили, что применение па электровозе магнитосвязанных сглаживающих реакторов с включенным компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока позволит существенно улучшить его энергетические показатели.

Пятая глава посвящена расчету экономического эффекта при применении на электровозах устройства Компенсации пульсаций выпрямленного тока. Основными показателями, характеризующими эффективность внедрения, является интегральный экономический эффект (чистый дисконтирований доход}, а также срок окупаемости затрат по его разработке и внедрению. Прибыль от внедрения на

электровозах устройства может быть получена за счет экономии эксплуатационных расходов по сравнению с электровозами без такого устройства. Прибыль складывается из экономии расходов на оплату электроэнергии, затраченную на тягу поездов, сокращение вагоно-часов, сокращение локомотиво-часов и бригадо-часов. Расчет приведен в ценах и нормативах по состоянию на 2006 год.

Прибыль от внедрения устройства за первый год его работы с учетом затрат на его изготовление и установку для 3-х секционного электровоза ВЛ80 составит 43,2 тыс. руб. и в последующие годы 147,6 тыс. руб. Срок окупаемости при внедрении такого устройства составит около девяти месяцев, по истечении которых прибыль покроет единовременные затраты. Для всего парка локомотивов, эксплуатируемых в депо Хабаровск-2, прибыль от внедрения устройства составит 62,889 млн. руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

- разработан способ уменьшения пульсаций выпрямленного тока в силовой цепи электровоза за счет магнитного связывания реакторов, позволяющий уменьшить пульсации выпрямленного тока с 24,49 % до 11,8 %;

- предложен способ уменьшения пульсаций выпрямленного тока за счет установки компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока, при котором достигается уменьшение уровня пульсаций выпрямленного тока до 0,023 %;

- разработана структура и система управления компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока;

- экспериментально установлено, что при магнитосвязанных реакторах и установке компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока достигается увеличение коэффициента мощности экспериментальной установки на 1,2% и снижение потребляемого тока на 2,91 %;

- годовая экономическая эффективность от внедрения предлагаемого устройства на один электровоз ВЛ80 составит 147,6 тыс. руб., при этом срок окупаемости установки составит около девяти месяцев.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах. 1. Кулинич, Ю. М. Повышение энергетических показателей электровоза переменного тока / Ю. М. Кулинич, Я. Ю. Бобровников // Проблемы транспорта Дальнего востока. Материалы шестой международной научно-практической конференции. - Владивосток: ДВО Российской Академии транспорта, 2005. - С.176-177

2. Кулинич, Ю. М. Повышение энергетических показателей электровоза переменного тока .путем уменьшения пульсаций выпрямленного тока / Ю. М. Кулинич, Я. Ю. Бобровников // Вестник ИТПС. Приурочен к 44-ой Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности», под ред. В.Г. Григоренко, Выпуск 3. ДВГУПС. -Хабаровск, 2006. - С. 40-45

3. Кулинич, Ю. М. Способ улучшения энергетических показателей электровоза переменного тока / Ю. М. Кулинич, Я. Ю. Бобровников // Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения: Труды региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников, под ред. С. И. Макашовой, ДВГУПС. - Хабаровск, 2005.-С. 99-103

4. Кулинич, Ю. М. Устройство для сглаживания пульсаций тока в цепи тяговых двигателей электровоза / Ю. М. Кулинич, Я. Ю. Бобровников // Труды Всесоюзного (Всероссийского) научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения, «Электровозостроение». Новочеркасск, 2005. - С. 123-127

5. Бобровников, Я. Ю. Влияние пульсаций выпрямленного тока на энергетические показатели электровоза / Я. Ю. Бобровников // Материалы восьмого краевого конкурса-конференции молодых ученых и аспирантов (Секция технических наук). Хабаровск, 17 янв. 2006. - С. 154-170.

6. Бобровников, Я. Ю. Применение устройства для повышения энергетических показателей электровоза однофазно-переменного тока / Я. Ю. Бобровников // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: Труды регионально научно-технической конференции творческой молодежи, 18-19 апреля 2006. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2006. - С. 11-14.

7. Бобровников, Я. Ю. Повышение энергетических показателей электровоза, за счет уменьшения коэффициента пульсаций выпрямленного тока тягового электродвигателя / Я. Ю. Бобровников // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Тезисы ЬХУ! Международной научно-практической конференции. - Д.: ДИИТ, 2006. - С. 112.

8. Пат. № 2285327 Российская Федерация, МПК Н 02 Р 7/292, Н 02 Р 7/298. Устройство для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянно-

го тока/ Кулинич Ю. М., Бобровников Я. Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения. За-явл. 04.05.2005 опубл. 10.10.06, Бюл. №28.

9. Пат. №2291549 Российская Федерация, МПК Н 02 М 7/08. Преобразователь однофазно-постоянного тока/ Кулинич Ю. М., Бобровников Я. Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения. Заявл. 29.06.2005 опубл. 10.01.07, Бюл. № 1.

10. Кулинич, Ю. М. Экспериментальные исследования работы устройства для уменьшения пульсаций выпрямленного тока/ Ю. М. Кулинич, Я. Ю. Бобровников // Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке: Труды всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, 22-24 ноября 2006. - Чита: Изд-во ЗабИЖТ, 2006. - С. 246-250.

11. Бобровников Я. Ю. Способ уменьшения пульсаций выпрямленного тока тяговых электродвигателей электровозов однофазно-постоянного тока/ Я. Ю. Бобровников // Политранспортные системы: Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции, 22-24 ноября 2006. - Красноярск: Изд-во ИПЦ КГТУ, 2006.-С. 45-48.

БОБРОВНИКОВ ЯКОВ ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ В ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 28.03.2006. Подписано в печать 29.03.2007. Формат 60х84'Лб. Бумага тип. № 2. Гарнитура Times New Roman. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,4. Зак. 125. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ РАБОТ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ПУЛЬСАЦИЙ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ устройств по уменьшению пульсаций выпрямленного тока

1.2 Влияние коэффициента пульсаций на энергетические показатели электровоза

1.3 Постановка задачи исследования

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УЧАСТКА ЭЛЕКТРОФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ С ЭЛЕКТРОВОЗАМИ, ОБОРУДОВАННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА

2.1 Модель контактной сети

2.2 Математическая модель электровоза с магнитосвязан-ными реакторами

2.2.1 Математическая модель тягового двигателя с учетом влияния вихревых токов

2.2.2 Математическая модель устройства 5 - модуляции

2.2.3 Математическая модель автономного инвертора напряжения

2.2.4 Математическая модель магнитосвязанных реакторов

2.2.5 Математическая модель аналогового фильтра

3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ПО УМЕНЬШЕНИЮ ПУЛЬСАЦИЙ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА

3.1 Выбор методики исследования и описание пакета Or- 67 CAD

3.2 Проверка адекватности математических моделей контактной сети и электровоза

3.2.1 Проверка адекватности модели ТЭД

3.2.2 Проверка адекватности модели «тяговая сеть -электровоз»

3.3 Моделирование работы аналогового фильтра

3.4 Методика обработки результатов моделирования

4 РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО УМЕНЬШЕНИЮ

ПУЛЬСАЦИЙ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА

4.1 Разработка предложений по структуре системы управления компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока

4.2 Исследование процессов в электрической цепи штатной схемы электровоза и при магнитном связывании сглаживающих реакторов

4.3 Исследование процессов в электрической цепи при включении компенсатора переменной составляющей в цепи выпрямленного тока

4.4 Физическое моделирование работы устройства магни-тосвязанных сглаживающих реакторов и компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока

4.4.1 Физическое моделирование работы устройства магнитно-связанных сглаживающих реакторов

4.4.2 Физическое моделирование работы устройства магни-тосвязанных сглаживающих реакторов и включения устройства компенсации переменной составляющей выпрямленного тока

4.5 Оценка сходимости результатов математического и физического моделирования

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ УСТРОЙСТВА КОМПЕНСАЦИИ ПУЛЬСАЦИЙ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА

5.1 Расчет экономии эксплуатационных расходов от использования электровозов с устройством компенсации пульсаций выпрямленного тока

5.2 Расчет интегрального экономического эффекта и срока окупаемости затрат 117 ВЫВОДЫ 120 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 121 ПРИЛОЖЕНИЯ 1. Справка о внедрении.

Принятая в ОАО «РЖД» программа «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» [52] предусматривает совершенствование тягово-энергетических характеристик локомотивов и улучшение показателей их использования. Эти решения продиктованы спецификой локомотивного хозяйства, которым только на тягу поездов расходуется 83 % электроэнергии от ее общего потребления железнодорожным транспортом. Повышение энергетической эффективности тягового подвижного состава становится одним из приоритетных направлений стратегии железнодорожного транспорта. В соответствии с программой предусматривается экономия электроэнергии до 3 % за счет улучшения ее качества и снижение до 2% энергоресурсов за счет увеличения скорости движения поездов.

Вопросам теории и практики улучшения энергетики электроподвижного состава переменного тока были посвящены работы, выполненные: Тихменевым Б. Н., Ротановым Н. А., Савоськиным А. Н., Ку-чумовым В. А., Феоктистовым В. П., Покровским С. В., Розановым Ю. К., Наумовым Б. М., Лозановским А. Л., Копаневым А. С., Мамошиным Р. Р., Иньковым Ю. М., Литовченко В. В., Власьев-ским С. В., Кулиничем Ю. М. и др. авторами.

В настоящее время для сглаживания пульсаций выпрямленного тока на подвижном составе используют сглаживающие реакторы. Индуктивность сглаживающего реактора и связанные с ней массо-габаритные показатели находятся в зависимости с внутренними размерами кузова подвижного состава. Следствием ограничения индуктивности сглаживающего реактора остаются значительные пульсации выпрямленного тока, которые достигают 25 -г 30 % [2, 6]. Кроме сглаживающего реактора для уменьшения пульсаций магнитного потока в тяговом двигателе на электровозах переменного тока применяют шунтирующие резисторы, которые включают параллельно обмотке возбуждения двигателя. Однако включение шунтирующего резистора не обеспечивает значительного уменьшения пульсаций, которые остаются высокими, вызывая остаточные пульсации магнитного потока.

В работе [2] установлено, что пульсации выпрямленного тока влияют на энергетические показатели электровоза: коэффициент мощности и потребляемый ток. При уменьшении пульсаций выпрямленного тока до полного сглаживания увеличивается коэффициент мощности на 1,5 % и уменьшается потребляемый ток электровоза на 2 -г 4 % [2]. В месте с тем уменьшение потребляемого тока вызывает уменьшение потерь напряжения в активных сопротивлениях цепи, за счет чего достигается увеличение напряжения на токоприемнике электровоза на 5 % [1, 2]. В свою очередь увеличение напряжения на токоприемнике оказывает влияние на скорость электровоза, которая в свою очередь увеличивается.

Цель данной работы заключается в повышении энергетических показателей электровозов однофазно-постоянного тока за счет уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

Схемотехнической основой для достижения поставленной в диссертации целей послужило появление в середине 70-х годов полностью управляемых силовых приборов: вТО и вСТ-тиристоров, а также ЮВТ-транзисторов [68, 73]. Появление ЮВТ-транзисторов позволило создавать компенсаторы, которые устанавливают в цепь переменного тока для улучшения качества электрической энергии силовых потребителей. В работах [36, 71] проанализированы схемы включения активных фильтров и способы управления их ключевыми элементами, приведены структурные схемы управления. В работах Литовченко В. В., Зиновьева Г. С., Розанова Ю. К., Солодунова А. М. и др. [67, 69, 70, 72] производится подробный анализ работы четы-рехквадрантного преобразователя применяемых как входное устройство асинхронного привода. Однако в этих работах не рассмотрено применение этих преобразователей для компенсации пульсаций выпрямленного тока тяговых электродвигателей.

В отличии от названных работ в диссертации рассмотрен способ установки компенсатора в цепь выпрямленного тока, что накладывает определенные требования на его систему управления.

Диссертационная работа посвящена решению важной народнохозяйственной проблемы повышения энергетических показателей электровоза путем снижения пульсаций в цепи выпрямленного тока. Применение магнитосвязанных сглаживающих реакторов и включение компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока позволяет увеличить коэффициент мощности и уменьшает потребляемый ток.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработан способ повышения энергетических показателей электровоза путем магнитного связывания сглаживающих реакторов; -предложен способ повышения энергетических показателей электровоза за счет установки компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока;

-разработана математическая модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» с устройством по уменьшению пульсаций в цепи выпрямленного тока;

- разработана система управления компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в том, что:

- применение магнитосвязанных сглаживающих реакторов позволило уменьшить пульсации выпрямленного тока с 24,49% до 11,8% т. е. более чем в два раза;

- при включении магнитосвязанных сглаживающих реакторов с компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока достигнуто уменьшение пульсаций выпрямленного тока до 0,023 %; -применение магнитосвязанных сглаживающих реакторов с компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока повышает коэффициента мощности электровоза на 1,2 % и уменьшает потребляемый ток на 2,91 %;

- разработанное устройство магнитосвязанных сглаживающих реакторов внедрено в депо Смоляниново (см. приложение 1);

- рассчитана экономическая эффективность от внедрения компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока на электровозе.

Апробация работы:

- на региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения», Хабаровск, ДВГУПС, 19-20 декабря 2005 года;

- на восьмом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Секция технических наук), Хабаровск, 17 января 2006 года;

- на 44-й всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Современные технологии-железнодорожному транспорту и промышленности», Хабаровск, ДВГУПС, 25-26 января 2006 года;

- на региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, ДВГУПС ,18-19 апреля 2006 года;

- на девятом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Секция технических наук), Хабаровск, 17 января 2007 года;

- на заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ДВГУПС (2006-2007 гг.);

- на научных семинарах Института тяги и подвижного состава ДВГУПС (2007 г.);

- научно-техническом, расширенном заседании кафедры «Электроподвижной состав», Иркутск, ИрГУПС (2007 г.).

Публикации. По теме диссертации имеется 11 публикаций, из которых 9 научных статей и тезисы докладов на научной конференции и получено два патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 87 наименований и одного приложения. Содержит 132 страницы основного текста, 3 таблицы и 56 рисунков.

Общие выводы по результатам работы:

- разработан способ уменьшения пульсаций выпрямленного тока силовой цепи электровоза за счет магнитного связывания реакторов, позволяющий уменьшить пульсации выпрямленного тока с 24,49% до 11,8%;

- предложен способ уменьшения пульсаций выпрямленного тока за счет установки компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока;

- разработана система управления компенсатором переменной составляющей выпрямленного тока позволяющая уменьшить уровень пульсаций выпрямленного тока до 0,023 %;

- экспериментально установлено, что при магнитосвязанных реакторах и установки компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока достигается увеличение коэффициента мощности экспериментальной установки на 1,2 % и снижение потребляемого тока на 2,91 %;

-рассчитана годовая экономическая эффективность на один электровоз ВЛ80, которая составила 147,6 тыс. руб. при этом срок окупаемости установки составил около девяти месяцев.

1. Тихменев, Б. Н. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. Электрические схемы и аппараты Текст. / Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахман М.: Транспорт, 1980. - 471 с.

2. Тихменев Б. Н. Электровозы переменного тока со статическими преобразователями Текст. / Б. Н. Тихменев М.: Транспорт, 1958.-253 с.

3. Тушканов, Б. А. Электровоз ВЛ80С: Руководство по эксплуатации Текст./ Б. А. Тушканов, Н. М. Васько, В. И. Покромкин и др. М.: Транспорт, 1985. - 542 с.

4. Кравчук, В. В. Особенности конструкции и управление электровоза ВЛ65 Текст. / В. В. Кравчук, А. С. Поддавашкин, Ю. М. Кулинич, Н. П. Дениско, Ю. Н. Бинецкий. М.: ДВГУПС, 1997.-133 с.

5. Осипов, С.И. Основы тяги поездов Текст. / С. И. Осипов, С. С. Осипов М.: УМК МПС России, 2000. - 529 с.

6. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические машины Текст. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов. М.: Транспорт, 1991. - 343 с.

7. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы машины Текст. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков. М.: Транспорт, 1979. - 303 с.

8. Кулинич, Ю. М. Электронное оборудование электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения Текст. / Ю. М. Кулинич. Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - 96 с.

9. Тихменев, Б. Н. Электровозы переменного тока с тиристорны-ми преобразователями Текст. / Б. Н. Тихменев, В. А. Кучумов. М.: Транспорт, 1988. - 311 с.

10. Мамошин, Р. Р. Энергетика системы переменного тока Текст. / Р. Р. Мамошин. //Железнодорожный транспорт №9. -М., 1987. -С. 69 70.

11. Алексеев, А. С. Исследование влияния нелинейной кривой намагничивания тягового электродвигателя на переходные процессы в силовой цепи электровоза Текст. / А. С. Алексеев // Труды МИИТ, вып. 912.-М.: МИИТ, 1997.-С. 104.

12. Жиц, М. 3. Переходные процессы в машинах постоянного тока Текст. / М. 3. Жиц. М.: Энергия, 1974. - 118 с.

13. Савоськин, А. Н. Автоматизация электроподвижного состава Текст.: Учеб. для вузов / А. Н. Савоськин. М.: 1990. - 311 с.

14. Находкин, М. Д. Проектирование тяговых электрических машин Текст. / М. Д. Находкин. М.: Транспорт, 1967. - 536 с.

15. Никитенко, А.Г. Математическое моделирование динамики электровозов Текст. / А. Г. Никитенко, Е. М. Плохов, А. А. Зарифь-ян, Б. И. Хоменко. М.: Высшая школа, 1998.-274 с.

16. Кулинич, Ю. М. Адаптивные системы автоматического управления гибридного компенсатора реактивной мощности электровоза с плавным регулированием напряжения Текст.: Монография / Ю. М. Кулинич. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001. - 152 с.

17. Антонью, А. Цифровые фильтры анализ и проектирование Текст.: пер. с англ. / А. Антонью. М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

18. Голд, Б. Цифровая обработка сигналов Текст.: пер. с англ., под ред. А. М. Трахтмана / Б. Голд, Ч. Рэйдер. М.: Радио и связь, 1973.-368 с.

19. Джонсон, Д. Справочник по активным фильтрам Текст.: пер. с англ. М. Н. Микшиса, под ред. Н. П. Теплюка / Д. Джонсон, Дж. Джонсон, Г. Мур. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 401 с.

20. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов Текст. / А. Б. Сергиенко СПб.: Питер, 2003. - 608 с.

21. Атабеков, Г. И. Основы теории цепей Текст. / Г. И. Атабеков.- М.: Энергия, 1969. 423 с.

22. Бахвалов, Ю. А. Основы проектирования (для разработчиков электроподвижного состава) Текст. /Ю. А. Бахвалов, В. И. Бочаров- М.: Высшая школа, 1996. -225 с.

23. Бессонов, Л. В. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи Текст.: 10-е изд. / Л. В. Бессонов М.: Гардарики, 2001.-638 с.

24. Алексеев, А. С. Использование метода конечных элементов для исследования переходных процессов в контактной сети Текст. / А. С. Алексеев // Труды 2 Международного симпозиума М.: МИ ИТ, 2000.-С. 104.

25. Савоськин, А. Н. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе контактная сеть-электровоз Текст. / А. Н. Савоськин, Ю. М. Кулинич, А. С. Алексеев // Электричество. 2002. - №2. - С. 29-35.

26. Кулинич, Ю. М. Испытание электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями Текст. / Ю. М. Кулинич, В. В. Находкин и др. // Вестник ВНИИЖТ. -1986. № 4. С. 23-26.

27. Забродин, Ю. С. Промышленная электроника: Учеб. пособие для вузов Текст. / Ю. С. Забродин М.: Высшая школа, 1982.-496 с.

28. Кулинич, Ю.М. Современная силовая электроника: учеб. пособие Текст. / Ю. М. Кулинич. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. -95 с.

29. Матющенко, В. С. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи постоянного и однофазного синусоидального токов: учебное пособие Текст. / В. С. Матющенко. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2002. - 111 с.

30. Тихменев, Б.Н. Исследование способов демпфирования высокочастотных колебаний в тиристорных преобразователях Текст. / Б. Н. Тихменев, В. Д. Кондратов, Н. Н. Горин, В. А. Кучумов,

31. A. П. Петровичев // Труды ВНИИЖТ, вып 642. М.: Транспорт, 1981. С. 94-115.

32. Игонин, А.И. Тяговые трансформаторы и реакторное оборудование электроподвижного состава Текст. / А. И. Игонин, Е. Ф. Барановский, В. П. Куканов М.: Транспорт, 1981.-423 с.

33. Разевиг, В. Д. Система проектирования ОгСАЭ 9.2 Текст. /

34. B. Д. Разевиг, М.: Салон-Р, 2001. - 528 с.

35. Власьевский, С. В. Повышение эффективности выпрями-тельно-инверторных преобразователей электровозов однофазно-постоянного тока с рекуперативным торможением. Автореферат диссертации на соискание ученой степени докт. техн. наук Текст. /

36. C. В. Власьевский. М.: МИИТ, 2001. - 48 с.

37. Кучумов, В. А. Электромагнитные процессы в тяговой сети с распределенной емкостью при коммутации тока в преобразователе электроподвижного состава Текст. / В. А. Кучумов, Н. Н. Широченко // Вестник ВНИИЖТ. 1988. - № 1. С. 19-23.

38. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов Текст. / Б.Ю. Семенов. М.: Салон - Р, 2001. - 327 с.

39. Лабунцов, В. А. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивной составляющей мгновенной мощности Текст. / В. А. Лабунцов, Чжан Дайжун. // Электричество. 1995. - №10. - С. 33-39.

40. Казаков, А. А. Релейная централизация стрелок и сигналов Текст. / А. А. Казаков. М.: Транспорт, 1984. - 312 с.

41. Кокурин, И. M. Эксплутационные основы устройств железнодорожной автоматики и телемеханики Текст. / И. М. Кокурин, Л. Ф. Кондратенко. М.: Транспорт, 1989. - 184 с.

42. Авитисян, Д. А. Автоматизация проектирования электротехнических систем и устройств Текст. / Д. А. Авитисян М.: Высшая школа, 2005. - 511 с.

43. Касаткин, А. С. Электротехника Текст.: учеб. пособ. для вузов 4-е изд. перер. / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. М.: Энергоатомиз-дат, 1983.-440 с.

44. Данилов, И. А. Общая электротехника с основами электроники Текст. / И. А. Данилов, П. М. Иванов. М.: Высшая школа, 2000. -752 с.

45. Розанов Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем Текст. / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова. М.: «Академия», 2004.-272 е.

46. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи Текст. / А. Т. Бурков. М.: Транспорт, 2001. - 464 с.

47. Ситник H. X. Силовая полупроводниковая техника Текст. / H. X. Ситник. М.: Энергия, 1968. - 320 с.

48. Чаки, Ф. Силовая электроника: Примеры и расчеты: пер. с англ. Текст. / Ф. Чаки, И. Герман, И. Ипшич и др. М.: Энергоиздат, 1982.-384 е.

49. Чиженко, И. М. Основы преобразовательной техники Текст. / И. М. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Синько. М.: Высшая школа, 1974.-430 с.

50. Розанов, Ю. К. Основы силовой преобразовательной техники Текст. / Ю. К. Розанов. М.: Энергия, 1979 - 392 с.

51. Разевиг, В. Д. Применение программ Р CAD и PSpice для схематического моделирования на ПЭВМ Текст. В 4 ч. Ч. 2. Общиесведенья. Графический ввод схем / В. Д. Разевиг М., Радио и связь, 1992.-72 с.

52. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте Текст. М.: Транспорт, 1999.-230 с.

53. Котлярова, Е. В. Расходы железных дорог и себестоимость перевозок Текст. / Е. В. Котлярова Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004. -71 с.

54. Дербас, Н. В. Определение экономической эффективности инновационных разработок Текст. / Н. В. Дербас Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004.-69 с.

55. Кобзе, С. А. Повышать энергоэффективность тягового подвижного состава Текст. / С. А. Кобзе // Локомотив. 2004. - №8. -С. 2-3.

56. Тихменев, Б. Н. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. Электрические цепи и аппараты Текст. / Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахман М.: Транспорт, 1969. - 408 с.

57. Тищенко, А. И. Справочник по электроподвижному составу, тепловозом и дизель поездам Текст. / А. И. Тищенко М.: Транспорт, 1976.-376 с.

58. Иньков, Ю. М. Расчет и проектирование статических преобразователей подвижного состава Текст. / Ю. М. Иньков, В. М. Ан-тюхин, В. В. Литовченко, О. С. Назаров. М.: Изд-во МИИТ, 1985. -196 с.

59. Титце, У Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство Текст.: пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк. -М.: Мир, 1982512 с.

60. Попов, В. П. Основы теории цепей Текст. / В. П. Попов М.: Высшая школа, 1998. - 575 с.

61. Семенов, Б. Ю. Силовая электроника от простого к сложному Текст. / Б. Ю. Семенов М.: Солон-пресс 2005. - 416 с.

62. Солодунов, А. М. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями Текст. / А. М. Солодунов, Ю. М. Иньков, Г. Н. Коваливкер, В. В. Литовченко Рига: Зинатие, 1991 -351 с.

63. Литовченко, В. В. Современные силовые управляемые полупроводниковые приборы Текст. / В. В. Литовченко, О. Б. Баранцев, А. Е. Чекмарев. //Локомотив. -1998. №10. - С. 24-69.

64. Литовченко, В. В. Определение энергетических показателей электроподвижного состава переменного тока с 4qS-преобразователями Текст. / В. В. Литовченко.// Электротехника. -1993.-№5. -С. 23-31.

65. Литовченко, В. В. 4д8-четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока Текст. / В. В. Литовченко.// Электромеханика. 2000. - №3. - С. 64-73.

66. Мустафа Г. М. Применение гибридных фильтров для улучшения качества электроэнергии Текст. / Г. М. Мустафа, А. Ю. Кутейникова, Ю. К. Розанов, И. В. Иванов.// Электричество. -1995.-№10.-С. 33-39.

67. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники Текст. /: Г. С. Зиновьев. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

68. Воронин, П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение Текст. /: П.А. Воронин. М.: Изд-во Додэка-XXI, 2003. - 664 с.

69. Бриндли, К. Карманный справочник инженера электронной техники Текст.: пер. с англ. / К. Бриндли, Дж. Kapp. — М.: Изд-во «Додэка- XXI », 2002. — 480 с.

70. Некрасов, О. А. Режимы работы магистральных электровозов Текст. / О. А. Некрасов, А. Л. Лисицин, Л. А. Мугинштейн, В. И. Рахманинов. М.: Транспорт, 1993. - 231 с.

71. Бахвалов, Ю.А. Основы проектирования (для разработчиков электроподвижного состава) Текст. / Ю. А. Бахвалов, В. И. Бочаров.- М.: Высшая школа, 1996. 256 с.

72. Розенфельд, В. Е. Теория электрической тяги Текст. / В.Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров, М. И. Озеров. М.: Транспорт, 1995.-294 с.

73. Иньков, Ю. М. Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного состава Текст. / Ю. М. Иньков, Н. А. Ротанов, В. П. Феоктистов, О. Г. Чаусов. М: Транспорт, 1982. - 264 с.

74. Электровоз ВЛ65: Руководство по эксплуатации. Техническое описание / Электрические аппараты Текст. Новочеркасск: ВЭлНИИ, 1992. К.4. -295 с

75. Архангельский, А. Я. PSpice и Design Center. 4.1. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование Текст. / А. Я. Архангельский М.: МИФИ, 1996. -115 с.

76. Архангельский, А. Я. PSpice и Design Center. 4.2. Модели цифровых и аналого-цифровых устройств. Идентификация параметров моделей. Графические редакторы Текст. / А. Я. Архангельский-М.: МИФИ, 1996.-112 с.

77. Зорохович, А. Е. Основы электроники для локомотивных бригад Текст. / А. Е. Зорохович М.: Транспорт, 1972. - 223 с.

78. Кучма, К. Г. Выпрямительные установки электроподвижного состава переменного тока Текст. / К. Г. Кучма. М.: Транспорт, 1966

79. Либерман, Ф. Я. Электроника на железнодорожном транспорте Текст. / Ф. Я. Либерман М.: Транспорт, 1987. - 285 с.

80. Боровиков, В. ЭТАНЭНКА. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. Текст. / В. Боровиков. СПб.: Питер, 2003. - 688 с.