автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности грузовых электровозов постоянного тока

О1

На правах рукописи

4

БОГДАН Антон Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДПР 2013

Санкт — Петербург 2013

005051435

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС) на кафедре «Электрическая тяга».

Научный руководитель Евстафьев Андрей Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Пудовиков Олег Евгеньевич

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрическая тяга» ФГБОУ ВПО МГУПС

Мурзин Роман Вилорьевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией «Электровозы» ОАО «ВНИИЖТ»

Ведущая организация - ОАО "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава (ОАО "ВНИКТИ")" (г. Коломна)

Защита состоится «18» апреля 2013 г. в «13» час. «00» мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 на базе Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9. ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения. Автореферат разослан «18» марта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В.А. Кручек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2030 года отмечается необходимость снижения энергоемкости перевозочного процесса. В связи с чем, важное значение придается техническому перевооружению железнодорожного транспорта и улучшению тягово-энергетических показателей электроподвижного состава.

В настоящее время значительный объем грузовых перевозок на полигоне постоянного тока выполняется электровозами серии ВЛ10, силовые схемы которых предусматривают возможность рекуперативного торможения. В связи с увеличивающейся долей грузовой работы особый интерес представляет применение рекуперативного торможения на грузовых электровозах, которое по ряду факторов используется недостаточно эффективно.

Особенность грузового движения заключается в том, что наибольшая эффективность рекуперации достигается на участках с затяжными спусками и тяговыми подстанциями, оборудованными инверторами для передачи рекуперативной энергии во внешнюю энергосистему. Однако, не на всех железных дорогах с интенсивным грузовым движением имеются затяжные спуски. Более 70% протяжённости российских железных дорог постоянного тока имеют равнинный профиль. В этих условиях возможность использования рекуперативного торможения на ЭПС уменьшается. При существующих тарифах на электроэнергию должна использоваться любая возможность уменьшения расхода энергии. Поэтому целесообразно оценить эффективность рекуперации на равнинных участках с целью разработки технических решений для её повышения.

Не менее важной проблемой в эксплуатации электровозов ВЛ10 является несовершенство тяговых характеристик, что приводит к отсутствию экономичных позиций для движения в зоне наиболее востребованных скоростей. Данный факт приводит к снижению технической скорости движения и как следствие к уменьшению пропускной способности участка, или к снижению энергетической эффективности электровозов в связи с необходимостью движения на

1

реостатных позициях.

Целью работы является повышение энергетической эффективности грузовых электровозов постоянного тока применением электронных систем, обеспечивающих улучшение характеристик в режиме тяги и электрического торможения.

Объект исследований: грузовой электровоз постоянного тока серии ВЛ10.

Предметом исследования являются электронные системы регулирования напряжения и тока возбуждения тяговых электродвигателей, повышающие тягово-энергетические показатели электровозов постоянного тока.

Задачи исследования;

- обоснование энергетической эффективности применения рекуперативного торможения грузовых электровозов постоянного тока в условиях ограниченного потребления энергии;

- разработка технических решений, обеспечивающих повышение энергетической эффективности режимов электрического торможения;

- разработка технических решений, улучшающих тягово-энергетические характеристики в диапазоне наиболее востребованных скоростей движения;

- разработка методики выбора параметров входного фильтра электронного преобразователя.

Методика исследований

В диссертационной работе использовались методы расчета электрических цепей, теория электрической тяги, теория планирования эксперимента, экспериментальные исследования и моделирование с применением компьютерных программ МагіаЬ, Бішиїіпк.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработаны новые схемные решения систем регулирования тяговых электродвигателей грузовых электровозов постоянного тока, обеспечивающие повышение тягово-энергетических характеристик и защищенные патентами РФ;

разработана многофункциональная компьютерная 2

математическая модель «тяговая сеть - электровоз электропотребитель» для анализа переходных процессов и оценки энергетической эффективности рекуперативного торможения в условиях ограниченного потребления электроэнергии;

определены условия эффективности применения электрического торможения грузовых электровозов постоянного тока на равнинном профиле в пределах смежных фидерных зон, учитывающие максимально допустимое удаление рекуперирующего электровоза от объекта потребления энергии;

предложено новое схемотехническое решение бестрансформаторного электронного преобразователя для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, характеризуемое только двухкратным преобразованием энергии и уменьшенными массогабаритными показателями.

Практическая ценность

Результаты работы могут быть использованы при создании и модернизации эксплуатируемых магистральных электровозов постоянного тока. По результатам математического моделирования даны рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза.

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждена:

- оценкой адекватности компьютерной имитационной модели тяговых электродвигателей на основании результатов стендовых испытаний;

- сопоставлением результатов компьютерного моделирования преобразователя и экспериментальных исследований бестрансформаторного электронного преобразователя для питания обмоток возбуждения.

Реализация и внедрение результатов работы: Состоит во внедрении результатов работы при проектировании статических преобразователей для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей электровозов ВЛ10 в режиме рекуперативного торможения.

Апробация работы

Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2009-2012 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: пятом и шестом международных симпозиумах ЕИгапв "Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте", Санкт-Петербург, 2009, 2011; научно-практической конференции "Транспорт-2010", РГУПС, Ростов-на-Дону, 2010; расширенном заседании кафедры «Электрическая тяга» УрГУПС в 2011 году.

Публикации

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, из них 3 публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России. По результатам научных исследований получены 2 патента на полезные модели.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, включая 81 рисунок, 5 таблиц, 4 приложений. Библиографический список содержит 101 наименование.

Основное содержание работы

Во введении обоснованна актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, представлена структура работы.

В первой главе выполнена оценка энергетической эффективности применения электрического торможения в условиях ограниченного потребления энергии.

Наибольшая эффективность рекуперации достигается на участках с затяжными спусками и тяговыми подстанциями, оборудованными инверторами для передачи рекуперативной энергии во внешнюю энергосистему. Однако более 70% протяжённости российских железных дорог постоянного тока имеют равнинный профиль.

Для оценки возможностей применения рекуперативного торможения в условиях ограниченного потребления электроэнергии

4

использована модель, представляющая мгновенную схему участка (рис. 1).

т И2 ИЗ

Рис. 1. Схема замещения участка тяговой сети. На рис.1 приняты следующие обозначения:

- Е1-ЕЗ - напряжения холостого хода тяговых подстанций;

- У01-У03- диоды, препятствующие протеканию обратного тока через подстанцию;

- Я1-К4 - сопротивления контактной сети;

- - сопротивления рельсовой цепи.

Результаты расчетов для двух электровозов (рекуперирующего и находящегося в режиме тяги) приведены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость напряжения на токоприемнике рекуперирующего электровоза от расстояния до потребителя, находящегося на соседней фидерной зоне. 5

Фактором, являющимся ограничением для прекращения отдачи энергии в сеть принята величина напряжения в контактной сети равная 4000 В. Например, для электровозов находящихся на смежных фидерных зонах при токах 700А на удалении электровозов более 8км рекуперация становится невозможной.

Как видно из графиков, даже в условиях ограниченного потребления электроэнергии токи рекуперации достаточно высоки и существует возможность для отдачи электроэнергии в питающую сеть.

Оценка эффективности применения реостатного торможения ( на электровозах, оборудованных системой реостатно-рекуперативного торможения), произведена с помощью теории планирования эксперимента и методов математической статистики.

В качестве функции отклика принят расход электроэнергии при движении поезда на участке. Исследована зависимость функции отклика от технической скорости и режима торможения. В качестве режима торможения рассмотрены два варианта: совместное применение колодочного тормоза на составе с рекуперативно-реостатным торможением электровоза и обыкновенного пневматического (режим торможения используемый на электровозах, оборудованных штатной схемой рекуперации при отсутствии потребителя в контактной сети).

Расход электроэнергии в ходе опытов определялся путем решения уравнения движения поезда с помощью ЭВМ. Длина участка для которого производился расчет принята равной 30 км.

Полученные данные исследований позволили сделать вывод о существенной экономии электроэнергии при применении совместного торможения при высокой технической скорости (65 км/ч) и возможности сокращении расхода электроэнергии до 13%.

Во второй главе была разработана система комбинированного рекуперативно-реостатного торможения грузовых электровозов постоянного тока.

На электровозах ВЛ10, ВЛ10У возбуждение тяговых двигателей осуществляется от двух электромашинных преобразователей постоянного тока —3000/—38, установленных по одному на секцию. Обмотки возбуждения тяговых двигателей включены последовательно-

6

параллельно по две. Такое включение обмоток возбуждения, а так же питание обмоток двигателей второй секции от другого источника обуславливает неодинаковый ток возбуждения тяговых двигателей, а, следовательно, и неодинаковую их нагрузку. Для сглаживания бросков тормозного тока при изменении уровня напряжения в контактной сети предусмотрено противовозбуждение возбудителя. С этой целью в цепь якорей тяговых двигателей включены две обмотки противовозбуждения возбудителя.

Последовательно параллельное соединение обмоток возбуждения и отсутствие средств автоматического регулирования приводит к расхождению токов якорей тяговых электродвигателей по секциям в режиме рекуперации. Это обстоятельство, наряду с инерционностью системы питания обмоток возбуждения, создает предпосылки для разработки быстродействующей полупроводниковой системы регулирования тока возбуждения, которая должна обеспечить поддержание токов якорей в заданных пределах при рекуперации и замещающем реостатном торможении. Последнее необходимо для обеспечения тормозных свойств электровоза при повышенном напряжении в контактной сети в условиях ограниченного потребления рекуперируемой энергии.

Очевидно, идеальным является способ возбуждения, обеспечивающий торможение независимо от наличия напряжения в контактной сети с полным использованием тормозных возможностей электровоза при минимальном усложнении его схемы и электрооборудования, с наиболее простым управлением тормозным процессом и наименьшим расходом электроэнергии. Однако выполнить все эти требования довольно трудно, так как они часто противоречат друг другу и поэтому во многих случаях приходится принимать компромиссные решения.

На основании проведенного анализа выбран вариант схемы бестрансформаторного электронного преобразователя для питания цепей возбуждения (рис. 3).

питания обмоток возбуждения. Принцип функционирования электронного преобразователя заключается в следующем. Если зарядить конденсатор до некоторого напряжения, то после выключения УБ1 конденсатор С2 разряжается током нагрузки. При = 0 включается У82 и конденсаторы

перезаряжаются. Тиристор УБ2 выключается и С2 снова разряжается

током нагрузки. Отпирание тиристора У83 на интервале разряда

конденсатора приведет к перезаряду конденсатора С1. Таким образом,

конденсатор С1 является не только составной частью делителя, который

позволяет получить требуемый уровень напряжения на нагрузке, но

также средством ограничения максимального напряжения на обкладках

С1С2

эквивалентного конденсатора Сэ = ——— при отпирании тиристора У81. Алгоритм управления тиристорами приведен на рис. 4.

т

1 п.

1

—

П п .

Т/2 Д1,

Рис. 4. Алгоритм управления тиристорами преобразователя.

Для анализа режимов работы преобразователя, а также выбора параметров его элементов разработана имитационная модель в пакете МАТЬАВ рис 5.

Рис. 5. Схема модели преобразователя в пакете Ма11аЬ.

Экспериментальные исследования преобразователя по схеме рис. 3 проведены на рабочем макете в лаборатории и сопоставлены с результатами полученными при моделировании.

Целью экспериментальных исследований являлось:

1. проверка работоспособности и устойчивости работы преобразователя при перерывах напряжения питания.

2. проверка правильности приведенных расчетов и выбора параметров преобразователя с помощью математического моделирования.

При испытаниях в лаборатории проводились многократные пуски преобразователя и скачкообразные изменения параметров нагрузки с целью определения динамической устойчивости схемы в режимах близких к эксплуатационным.

Исследования показали достаточную устойчивость преобразователя в динамических режимах работы, отсутствие срывов инвертирования и автоколебаний.

Расхождения опытных и расчетных данных составили 5-7%, что свидетельствует о правильности расчета.

9

В третьей главе рассмотрен способ применения электронных преобразователей для питания тяговых электродвигателей в режиме тяги, с целью улучшения тягово-энергетических характеристик электровоза в зоне наиболее востребованных скоростей.

Особенностью электровозов серии ВЛ10 является несовершенство тяговых характеристик, которое проявляется в том, что между тяговыми характеристиками СП-ОВ4 и П имеется область (наиболее востребованных режимов по скорости и силе тяги), в которой отсутствуют экономичные позиции.

Для улучшения тягово-энергетической эффективности электровозов предлагается использование дополнительного соединения тяговых электродвигателей СП2 с применением импульсного регулятора (ИР) напряжения (рис. 6.)

Рис. 6. Схема дополнительного соединения тяговых электродвигателей.

Для анализа переходных процессов в цепи тяговых электродвигателей и оценки возможности применения дополнительного соединения ТЭД разработана компьютерная математическая модель электровоза в пакете МАТЬАВ (рис. 7).

Рис. 7. Схема модели электровоза в пакете МаНаЬ.

Алгоритм перехода позволяет осуществлять переключения группировок тяговых электродвигателей с частичной потерей силы тяги (не более 25 %) на время 1-2 с.

В четвертой главе выполнен анализ режима функционирования и предложена методика выбора параметров входных фильтров электронных преобразователей.

Для уменьшения размаха пульсаций и увеличения частоты тока, потребляемого из контактной сети, предлагается параллельное включение четырех преобразователей к одному общему фильтру со сдвигом фазы каждого кратным 0.25Т.

1-ф

Рис. 8. Схема включения преобразователей 11

Особенностью работы электронных преобразователей для питания цепей возбуждения является тот факт, что преобразователь работает с малым интервалом потребления энергии из контактной сети (коэффициент заполнения составляет 1,5-3%). Это условие позволяет принять коэффициент заполнения постоянным при выборе параметров входного фильтра.

Для оценки параметров входного однозвенного Г-образного фильтра были получены зависимости для определения индуктивности и емкости

где

уЛГ *) у " N

Сф ~ № число фаз;

¡ср — среднее значение тока потребляемого от источника;

N0 — число открытых фаз;

Хф — фазный коэффициент заполнения;

Л иф - пульсация напряжения на конденсаторе фильтра;

/ф — частота работы преобразователя фазы;

і = • * ^-р-с,,;

где

ы, - угловая частота основной гармонической составляющей; соф — угловая частота собственных колебаний фильтра. С целью проверки полученных значений и оценки гармонического состава тока потребляемого из контактной сети в пакете 8іши1іпк разработана компьютерная модель, представленная на рис. 9.

Рис. 9. Компьютерная модель для выбора параметров входного фильтра.

Полученная на модели зависимость тока, потребляемого из контактной сети, от времени, представляется в виде ряда Фурье с целью оценки гармонического состава на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости с устройствами связи и СЦБ (рис 10).

I---^а* I

Рис. 10. Программа для оценки гармонического состава потребляемого тока

Гармонический состав пульсирующего тока электронного преобразователя находится в пределах, установленных нормативными документами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненной работы сформулированы следующие выводы:

1. Показана эффективность применения рекуперативного торможения грузовых электровозов постоянного тока в условиях ограниченного потребления электроэнергии. Наибольшая эффективность отдачи рекуперируемой энергии реализуется на расстоянии в пределах 8 км до электропотребителя.

2. Оценены факторы, влияющие на экономию электроэнергии при совместном применении электрического и колодочного торможения; показано, что сокращение расхода электроэнергии может достигать 10-13% общего энергопотребления.

3. Предложено схемотехническое решение электронного бестрансформаторного преобразователя для питания обмоток возбуждения в режиме электрического торможения, характеризуемого двукратным преобразованием энергии и уменьшенными массогабаритными показателями.

4. Предложены схемотехнические решения, улучшающие тягово-энергетические характеристики грузовых электровозов постоянного тока, за счет дополнительного соединения тяговых двигателей, реализуемого посредством применения электронного преобразователя напряжения.

5. Разработана оригинальная многофункциональная компьютерная имитационная модель, предназначенная для исследования переходных процессов в силовой цепи электровоза. Адекватность компьютерной модели подтверждена на основании сопоставления результатов моделирования и эксперимента.

6. Разработан алгоритм переключения группировки тяговых электродвигателей при реализации дополнительного соединения, обеспечивающий переключение параллельных групп с потерей силы тяги электровоза при переключении не более 25%.

7. Предложена методика выбора параметров входного фильтра электронного преобразователя, функционирующего с малым интервалом потребления энергии из сети.

Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 13 публикациях, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией России:

Публикации. входящие в перечень. рекомендованный ВАК Минобразования и науки Российской Федерации:

1. Мазнев A.C.. Богдан A.A. Обоснование схемы полупроводникового преобразователя для регулирования тока обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме электрического торможения // «Транспорт Урала». - № 1, 2007-с. 119-124.

2. Богдан A.A. Улучшение регулировочных свойств грузовых электровозов постоянного тока // «Известия ПГУПС». - №2, 2011- с. 17-24.

3. Богдан A.A. Обоснование расчета параметров входного фильтра при импульсном регулировании // «Известия ПГУПС». - №2, 2012- с. 38-42.

Публикации, не входящие в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования и науки Российской Федерации:

4. Богдан A.A. Импульсный прерыватель на IGCT приборах для электропоезда постоянного тока. // Межвузовский сборник трудов «Неделя науки 2002», ПГУПС, 2002, с.282.

5. Богдан A.A. Система дистанционного контроля потребления электроэнергии на подвижном составе. // Межвузовский сборник научных трудов «Шаг в будущее», Санкт-Петербург, ПГУПС, 2003, с. 149-151.

6. Павлов Л.Н., Иващенко В.О., Богдан A.A. Оценка влияния эксплуатационных факторов на энергопотребление при оптимизации графика движения пригородных электропоездов. Материалы всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», т.2 Проблемы эксплуатационной работы на железнодорожном транспорте, развитие телекоммуникаций и информатизация, Екатеринбург, УрГУПС, 2003 с.272-278.

7. Богдан A.A., Иващенко В.О., Павлов Л.Н. Методика расчёта электроэнергии на участках стыкования железных дорог при заездах

15

электроподвижного состава. Вестник инженеров-электромехаников железнодорожного транспорта. Вып.1, Самара, СамГАПС, 2003, с.152-155

8. Пэт. №42204 Российская Федерация, МПК B60L7/12. Многодвигательный электропривод. Патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»-2004123135/22 Павлов Л.Н., Богдан A.A.. Опубликовано 27.11.2004 Бюл.№33

9. Пат. №42205 Российская Федерация, МПК B60L7/12. Многодвигательный электропривод. Патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»-2004123134/22 Павлов Л.Н., Богдан A.A.. Опубликовано 27.11.2004 Бюл.№33

10. Павлов Л.Н., Иващенко В.О., Якушев А .Я., Изварин М.Ю., Ткаченко Е.В., Богдан A.A. Концепция системы рекуперативно-реостатного торможения грузовых электровозов постоянного тока, // Известия ПГУПСа -Санкт-Петербург, ПГУПС, 2004, Выпуск 2, с.51-55.

11. Богдан A.A. Моделирование электромагнитных процессов при потере потребителя в режиме рекуперативного торможения грузового электровоза постоянного тока, // Известия ПГУПСа - Санкт-Петербург, ПГУПС, 2005, Выпуск 1, с.37-41.

12. Богдан A.A. Схемные решения полупроводниковых преобразователей для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме электрического торможения. // Материалы пятого международного симпозиума «Элтранс-2009 «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте» - Санкт-Петербург, ПГУПС, 2009, с.530-537.

13. Богдан A.A. «Применение статических преобразователей для питания обмоток возбуждения» // Электронный журнал «Бюллетень результатов научных исследований» - Санкт-Петербург, ПГУПС, 2012, Выпуск 2, с.27-40. - http://e-result.ru/wp-content/uploads/2012/05/bulletin_2.pdf

Подписано к печати И .03.13 Печ.л. -1,0 п.л.

Печать-ризография Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 что Заказ 248.____

CP ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

16

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

04201455650

Богдан Антон Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Евстафьев Андрей Михайлович

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

л Введение............................................................................................................4

' ' ' I I" I * ' О1 Л I, > </ , I ч '( 1 !• ''I *

1 .Повышение энергоэффективности электроподвижного состава.................9

1.1 Актуальность проблемы энергосбережения..............................................9

1.2 Оценка эффективности применения рекуперативного торможения в условиях повышенного напряжения и ограниченного потребления электроэнергии.................................................................................................13

1.3 Оценка эффективности применения электрического торможения.........20

1.4 Оценка эффективности рекуперативно-реостатного торможения в грузовом движении..........................................................................................26

2.Преобразователи для питания обмоток возбуждения в режиме электродинамического торможения................................................................33

2.1 Системы рекуперативного торможения электроподвижного состава постоянного тока..............................................................................................33

2.2 Анализ систем регулирования тока возбуждения на базе статических преобразователей.............................................................................................39

2.3 Анализ схем преобразователей для питания обмоток возбуждения в режиме электрического торможения..............................................................51

2.4 Особенности силовой схемы.....................................................................62

2.5 Экспериментальные исследования преобразователя для питания обмоток возбуждения.......................................................................................65

3.Применение электронных преобразователей для питания тяговых двигателей в режиме тяги................................................................................67

3.1 Система пуска электровоза с дополнительным соединением тяговых двигателей.........................................................................................................71

3.2 Безреостатный пуск тяговых двигателей..................................................73

3.3 Разработка математической модели электровоза ВЛ10...........................75

4.0ценка параметров входных фильтров электронных преобразователей...86 4.1 Анализ схемы включения преобразователей............................................86

4.2. Оценка выбора параметров входного фильтра........................................92

4.3. Оценка гармонического состава тока потребляемого электронными преобразователями из контактной сети..........................................................97

Заключение.....................................................................................................102

Список используемой литературы................................................................104

Приложение 1.................................................................................................114

Приложение 2.................................................................................................124

Приложение 3 Приложение 4

Введение

1 V*" 1 ' В «Энергетической*стратегии'ОАО «РЖД» на1 период до 2030 года отмечается необходимость снижения энергоемкости перевозочного процесса. В связи с чем, важное значение придается техническому перевооружению железнодорожного транспорта и улучшению тягово-энергетических показателей электроподвижного состава.

В настоящее время значительный объем грузовых перевозок на полигоне постоянного тока выполняется электровозами серии ВЛ10, силовые схемы которых предусматривают возможность рекуперативного торможения. В связи с увеличивающейся долей грузовой работы особый интерес представляет применение рекуперативного торможения на грузовых электровозах, которое по ряду факторов используется недостаточно эффективно.

Особенность грузового движения заключается в том, что наибольшая эффективность рекуперации достигается на участках с затяжными спусками и тяговыми подстанциями, оборудованными инверторами для передачи рекуперативной энергии во внешнюю энергосистему. Однако, не на всех железных дорогах с интенсивным грузовым движением имеются затяжные спуски. Более 70% протяжённости российских железных дорог постоянного тока имеют равнинный профиль. В этих условиях возможность использования рекуперативного торможения на ЭПС уменьшается. Однако, при высоких тарифах на электроэнергию должна использоваться любая возможность уменьшения. Поэтому целесообразно оценить эффективность рекуперации на равнинных участках с целью разработки технических решений для её повышения.

Не менее важной проблемой в эксплуатации электровозов В Л10, является несовершенство тяговых характеристик, что приводит к отсутствию экономичных позиций для движения в зоне наиболее востребованных скоростей. Данный факт приводит к снижению технической скорости движения и как следствию уменьшению пропускной способности участка, или к снижению энергетической эффективности

электровозов в связи с движением на реостатных позициях.

Целью работы является повышение энергетической эффективности

грузовых электровозов постоянного тока применением электронных

систем, обеспечивающих улучшение характеристик в режиме тяги и и , | ( электрического торможения. ( 1 ' I » м

1 I 1 к '

Объект исследований электронные системы регулирования напряжения якорей и тока возбуждения тяговых электродвигателей грузового электровоза постоянного тока серии ВЛ10.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, протекающие в цепях тяговых электродвигателей, питаемых от электронных преобразователей, обеспечивающих повышение энергетических характеристик электровоза.

Задачи исследования:

- обоснование условий обеспечения энергетической эффективности рекуперативного торможения грузовых электровозов постоянного тока при ограниченном потреблении энергии;

- выработка технических решений, обеспечивающих повышение энергетической эффективности режимов электрического торможения;

выработка технических решений, улучшающих тягово-энергетические характеристики в диапазоне наиболее востребованных скоростей движения;

- разработка методики выбора параметров входного фильтра электронного преобразователя.

Положения выносимые на защиту:

- схемные решения систем регулирования ТЭД грузовых электровозов постоянного тока с использованием электронных преобразователей;

многофункциональная компьютерная модель «тяговая сеть -электровоз - электропотребитель», позволяющая произвести анализ переходных процессов и определить условия энергетически эффективного применения электрического торможения грузовых электровозов постоянного тока;

схемотехническое решение бестрансформаторного электронного преобразователя для питания обмоток возбуждения ТЭД. , и,, , ,

Методика исследований

В диссертационной работе использовались методы расчета электрических цепей, теория электрической тяги, теория планирования эксперимента, экспериментальные исследования и моделирование с применением компьютерных программ Ма^аЬ, 81тиНпк.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработаны новые схемные решения систем регулирования тяговых электродвигателей грузовых электровозов постоянного тока, обеспечивающие повышение тягово-энергетических характеристик и защищенные патентами РФ;

- разработана многофункциональная компьютерная математическая модель «тяговая сеть- электровоз - электропотребитель» для анализа переходных процессов и оценки энергетической эффективности рекуперативного торможения в условиях ограниченного потребления электроэнергии;

- определены условия эффективности применения электрического торможения грузовых электровозов постоянного тока на равнинном профиле в пределах смежных фидерных зон, учитывающие удаление рекуперирующего электровоза от объекта потребления энергии;

предложено новое схемотехническое решение бестрансформаторного электронного преобразователя для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, характеризуемое только двукратным преобразованием энергии и уменьшенными массогабаритными показателями.

Практическая ценность

Результаты работы могут быть использованы при создании и

модернизации эксплуатируемых магистральных электровозов постоянного тока. Предложены устройства, . обеспечивающие улучшение качества переходных процессов в силовой цепи электровоза.

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждена:

- соответствием компьютерной имитационной модели тяговых электродвигателей на основании результатов стендовых испытаний;

сходимостью результатов компьютерного моделирования преобразователя и экспериментальных исследований

бестрансформаторного электронного преобразователя для питания обмоток возбуждения.

Реализация и внедрение результатов работы

Состоит во внедрении результатов работы при проектировании статических преобразователей для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей электровозов ВЛ10.

Апробация работы

Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2009-2013 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: пятом, шестом и седьмом международных симпозиумах ЕИхаш "Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте", Санкт-Петербург, 2009, 2011, 2013; научно-практической конференции "Транспорт-2010", РГУПС, Ростов-на-Дону, 2010; расширенном заседании кафедры «Электрическая тяга» УрГУПС в 2011 году.

Публикации

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах, из них 4 публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России. По результатам

научных исследований получены 2 патента на полезные модели и 3 свидетельства на программы для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 153 страницы, включая 81 рисунок, 5 таблиц, 4 приложения. Библиографический список содержит 111 наименований.

1.Повышение энергоэффективности электроподвижного состава.

1.1 Актуальность проблемы энергосбережения

| ,' 1 , 1 1 1 >

Оценка эффективности от внедрения основных энергосберегающих технологий по данным отчета «Анализ использования топливно-энергетических ресурсов на

железнодорожном транспорте в 2010 году» приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Техническое средство Эффективность, % от расхода ТЭР на тягу поездов Основные недостатки технического средства

Расчет Факт

Система оперативного регулирования мощности электровозов пост, тока 17% 1,4% Опыт эксплуатации показал нецелесообразность в ряде случаев отключения части двигателей, в частности, на горноперевальных участках.

перем. тока 7% 2,3%

Регулирование частоты вращения вентиляторов электровозов пост, тока 4% 0,7% При переходных режимах может явиться причиной возгорания электровоза из-за «зависания» устройства. Необходимо одновременное укомплектование системой контроля температуры оборудования локомотива. Не отработана система ремонта.

перем. тока 11% 2,2%

САВП 6% 3% До 80% времени системы работают в режиме «подсказки», недостаточная эксплуатационная надежность.

Программный комплекс для расчета энергооптимального режима ведения поезда (АПК) 15% 1% Низкая вероятность совпадения эксплуатационной и расчетной траекторий ведения поезда. В ряде случаев не обеспечивает безопасности движения. Режимная карта состоит из большого числа (до 15) листов.

Как видно из таблицы 1.1, фактическая эффективность от применения данных средств гораздо ниже заявленной расчетной. При

этом рекуперативное торможение позволяет экономить до 15-20% , I , „ электроэнергии, расходуемой на тягу [1,6,71. .. , «• ., 4м , <:

V;ч'!!^, ' V ' V/' ■ ' № ^" • : *м'1 '.'-«и..■'"/й'Чг1''' 1 ■ ¡, ^'

В настоящее время отечественной промышленностью широко выпускаются различные серии электропоездов постоянного тока с реостатно-рекуперативным торможением в основе схем, которых лежит схема электропоезда ЭР2Т. Данные поезда при благоприятных условиях позволяют отдавать в контактную сеть до 20% электроэнергии израсходованной на тягу [2, 8, 9].

В последнее время в связи с увеличивающейся долей грузовой работы особый интерес представляет применение рекуперативного торможения на грузовых электровозах, которое по ряду факторов в настоящее время используется недостаточно эффективно.

Рекуперация является дополнительным источником энергоснабжения для электроподвижного состава. Ее эффективное использование способствует не только уменьшению потребления электроэнергии из энергосистемы, что приводит к экономии энергоресурсов, но и к снижению условных потерь.

Особенность грузового движения заключается в том, что наибольшая эффективность рекуперации достигается на участках с затяжными спусками и тяговыми подстанциями, оборудованными инверторами для передачи рекуперативной энергии во внешнюю энергосистему [5]. Однако, не на всех железных дорогах с интенсивным грузовым движением имеются затяжные спуски. Более 70% протяжённости российских железных дорог постоянного тока имеют равнинный профиль. В этих условиях возможность использования рекуперативного торможения на ЭПС уменьшается. Однако, при высоких тарифах на электроэнергию любая возможность уменьшить энергопотребление не должна игнорироваться [18, 21]. Поэтому целесообразно оценить эффективность рекуперации на равнинных участках с целью разработки решений по увеличению эффективности её

использования. Например, Октябрьская ж.д., в основном, имеет равнинный характер профиля и тяговые подстанции не оборудованные инверторами. Тем не менее в условиях Октябрьской ж.д. есть возможность использования рекуперативного торможения в грузовом движении.

Факторы, влияющие на процесс рекуперации, можно представить в виде схемы.

Рис. 1.1 Факторы, влияющие на процесс рекуперации

1.2 Оценка эффективности применения рекуперативного торможения в условиях повышенного напряжения и ограниченного потребления

электроэнергии 11 >

При рекуперации напряжение на выходе диодной тяговой подстанции может оказаться выше напряжения холостого хода (подстанция, в этом случае, перестает отдавать энергию в контактную и работает в режиме поста секционирования). Условия запирания выпрямительной установки подстанции зависят от отношения токов тяги и рекуперации, эквивалентного сопротивления выпрямителя подстанции, погонного сопротивления контактной сети, а также от расстояния от тягового электровоза до ближайшей тяговой подстанции (ТП), и до рекуперирующего электровоза.

При рекуперации близлежащая к рекуперирующему электровозу тяговая подстанция может работать как в режиме подпитки, так и запираться, а подпитка тягового электровоза осуществляется от ближайшей к нему подстанции. При запирании тяговой подстанции она переходит в режим работы поста секционирования.

Для более детального анализа электромагнитных процессов протекающих в режиме рекуперативного торможения необходима математическая модель, учитывающая большое количество факторов влияющих на работу устройств тягового электроснабжения и электроподвижного состава. На рис 1.2 изображена схема замещения участка системы тягового электроснабжения.

т РЗ 1*4

Рис. 1.2 Схема замещения участка системы тягового электроснабжения

На рис. 1.2 приняты следующие обозначения:

- Е1-ЕЗ - напряжения холостого хода тяговых подстанций;

- УГ)1-\Т)3- диоды, препятствующие протеканию обратного тока через подстанцию;

- К1-Я4 - сопротивления контактной сети;

-115-118 - сопротивления рельсовой цепи.

Сопротивления 111-118 рассчитываются как произведение величины удельного сопротивления контактной сети на длину участка. В расчете величины удельного сопротивления приняты равной 0,1 Ом/км для контактной сети и 0,01 Ом/км для рельсовой цепи. Значение величины напряжения холостого хода тяговой подстанции принято равным 3520 В.

Изменяя сопротивления Ю-118 возможно моделирование различных вариантов расположения электровозов на участке.

Модель участка тяговой сети в программе Ма1;ЬаЬпредставлена на рис

1.3.

Для моделирования электромагнитных процессов принят следующий вариант: в пределах одной фидерной зоны находятся два электровоза - один находится в режиме тяги на последовательном соединении тяговых электродвигателей, другой - в режиме электрического рекуперативного

торможения на параллельном соединении тяговых электродвигателей. На рис. 1.3 приведена схема замещения фидерной зоны. Схема замещения электровоза в режиме тяги выделена на рисунке красным