автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения электровозов переменного тока

На правах рукописи

БУНЯЕВА ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Хабаровск - 2013

005541164

005541164

Работа выполнена на кафедре «Электротехника, электроника и электромеханика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС).

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

ВЛАСЬЕВСКИИ Станислав Васильевич, доктор технических наук, профессор - профессор кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика» ФГБОУ ВПО «ДВГУПС», г. Хабаровск

КЛИМАШ Владимир Степанович, доктор технических наук, профессор - профессор кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», г. Комсомольск-на-Амуре

ГРИГОРЬЕВ Николай Потапович, кандидат технических наук, доцент - профессор кафедры «Электроснабжение транспорта» ФГБОУ ВПО «ДВГУПС», г. Хабаровск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС)

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. в 1600 часов, в ауд. 118/1 на заседании диссертационного совета Д 212.092.04 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина д. 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КнАГТУ, www.knastu.ru.

Автореферат разослан «. ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.092.04, e-mail: kepapu@knastu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент ¿^"^ В.И. Суздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение энергоэффективности и безопасности перевозочного процесса является основной задачей, поставленной ОАО «РЖД» перед локомотивным хозяйством. Одним из потенциальных путей решения данной задачи является применение рекуперативного торможения.

Принятая ОАО «РЖД» программа «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года» предусматривает сокращение удельного расхода электроэнергии на 5%. За счет активного применения рекуперативного торможения по сети железных дорог было сэкономлено в 2008 г. порядка 1,3 млрд. руб., а в 2010 г. - уже 2,3 млрд. руб.

В настоящее время на электрифицированных железных дорогах России работают электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями (такие как ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ВЛ80ТК, 2ЭС5К и ЗЭС5К). Эти электровозы оснащены системой рекуперативного торможения, с помощью которой появляется возможность увеличения пропускной и провозной способностей железных дорог, повышения безопасности движения поездов и возврат электроэнергии в контактную сеть. В тоже время, существует ряд серьезных причин, сдерживающих широкое применение рекуперативного торможения.

К таким причинам относится то, что работа выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИД) электровоза в режиме инвертора вызывает значительные искажения синусоидальной формы напряжения контактной сети на токоприемнике электровоза, а также инвертор электровоза обладает низким коэффициентом мощности.

Искажения в кривой напряжения отрицательно влияют на работу блока синхронизации аппаратуры управления инвертором, в результате чего нарушается его устойчивость, так как в данном случае кривая питающего напряжения на токоприемнике может переходить через нулевое значение раньше, чем при синусоидальной форме, что может привести к опрокидыванию инвертора. Поэтому во избежание нарушения инверторного режима в реальных условиях эксплуатации задаются такие параметры системы управления инвертором, которые являются завышенными с точки зрения надежности его работы. Так, например, угол запаса инвертора принимается равным д - 25-30°, что в два раза больше необходимого (3 = 12-15°) по условиям устойчивости инвертора. Увеличенное значение угла запаса значительно занижает коэффициент мощности Км электровоза, доводя его до 0,65 и менее.

Указанные недостатки ставят задачу по повышению энергетической эффективности электровозов с тиристорными преобразователями. Одним из перспективных направлений решения данной задачи является изменение структуры преобразователя либо изменение алгоритма управления инвертора.

В данной работе предлагается изменить алгоритм подачи импульсов на тиристоры ВИП и включить в его силовую схему диодное плечо. Этим самым обеспечивается плавный вход ВИП в коммутацию путем постепенного перевода секций тяговой обмотки трансформатора электровоза в режим коммутации, что

позволяет устранить резкое изменение значения принужденного напряжения на токоприемнике электровоза. Это влечет за собой уменьшение амплитуд свободных колебаний напряжения в сети. Одновременно с этим постепенный переход секций вторичной обмотки тягового трансформатора электровоза из режима проводимости в режим коммутации позволит повысить коэффициент мощности электровоза. В то же время применение диодного плеча позволяет практически исключить наличие на токоприемнике электровоза послекоммутационных колебаний, а также повысить устойчивость инвертора.

Целью работы является повышение энергоэффективности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения путем снижения коэффициента искажения синусоидальности напряжения (полного коэффициента гармоник) в тяговой сети и увеличения коэффициента мощности электровоза с помощью нового алгоритма управления многозонным инвертором и включения диодного плеча в схему инвертора.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

- выполнен анализ существующих способов и средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения;

- предложен и обоснован новый алгоритм управления тиристорными плечами ВИП в режиме инвертора;

- разработана математическая модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть — электровоз в режиме рекуперативного торможения» для анализа и оценки влияния различных способов управления инвертором на энергетические показатели электровоза;

- выполнены расчеты установившихся и переходных электромагнитных процессов для различных способов управления тиристорными инверторами электровоза и определены показатели качества электрической энергии, отдаваемой в тяговую сеть, а также коэффициент мощности электровоза;

- предложены технические решения (устройство управления и принципиальная силовая схема электровоза переменного тока с включением диодного плеча), обеспечивающие организацию коммутации по новому алгоритму;

- выполнена технико-экономическая оценка эффективности разработанных технических решений, повышающих энергетическую эффективность электровозов переменного тока, работающих в режиме рекуперативного торможения.

Методика исследований. Исследования основаны на применении теории электрических цепей, математического моделирования с использованием программной системы ОгСАЕ), гармонического анализа электромагнитных процессов с целью определения показателей качества электроэнергии и коэффициента мощности электровоза.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработан способ управления инвертором электровоза, реализующий новый алгоритм на II, III и IV зонах регулирования напряжения, который способ-

ствует снижению амплитуд высших гармоник напряжения в тяговой сети и повышению коэффициента мощности электровоза;

- разработана обобщенная математическая модель, которая позволяет проводить анализ электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» и определять показатели качества электроэнергии с учетом нового алгоритма управления инвертором и применения в силовой электрической цепи электровоза диодного плеча;

- получены функциональные зависимости величины перепадов питающего напряжения в моменты начала и окончания сетевой коммутации от эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:

- разработана система автоматического регулирования угла запаса инвертора S, реагирующая на длительность коммутации плеч инвертора и позволяющая проводить точное измерение угла коммутации у;

- разработана система слежения за окончанием коммутации в дополнительном контуре коммутации при реализации нового алгоритма;

- модернизированы кассеты БРУЗ-089 и БРУ-552 в блоке управления БУВИП-133 электровоза BJI80P, для реализации нового алгоритма управления четырехзонным инвертором электровоза;

- доказано, что применение нового алгоритма управления инвертора на IV, Ш и II зонах регулирования совместно с включением в силовую электрическую схему инвертора диодного плеча позволяет уменьшить коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения от 12 до 22 % и повысить коэффициент мощности электровоза от 1,4 до 11,7 % в зависимости от режима эксплуатации электровоза.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов, полученных при математическом моделировании, подтверждается экспериментальными данными работы электровоза в режиме рекуперативного торможения на участке Андриановка-Ангасолка ВСЖД.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (22-24 апреля 2009 года, Хабаровск), ДВГУПС;

- на IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (13-16 октября 2009 года, Томск), ГОУ;

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Наука, творчество и образование в области электроснабжения -достижения и перспективы», (11-12 ноября 2010 года, Хабаровск), ДВГУПС;

- на Шестом международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов железнодорожного транспорта» («Элтранс - 2011 », 25-28 октября 2011 года, Санкт-Петербург);

- на VI международной научно-практической конференции «Электрификация транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2012» (25-28 сентября 2012 года Днепропетровск, Украина), ДНУЖТ;

- на Всероссийской научно-практической конференции «Электропривод на транспорте и в промышленности», (25-27 сентября 2013 года, Хабаровск), ДВГУПС;

- на заседаниях и семинарах кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2010-2013 годы.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 научных работах, из них две статьи в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях перечня ВАК Минобрнауки России и два патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка из 101 наименования. Содержит 145 страниц основного текста, 5 таблиц и 64 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана краткая характеристика работы.

Первая глава посвящена обзору существующих на настоящий момент времени способов и средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения, выявлены их достоинства и недостатки.

Теоретической основой для проведения настоящего исследования стали работы отечественных ученых: Б.Н. Тихменева, Д.В. Ермоленко, В.А. Кучумова, P.P. Мамошина, В.А. Голованова, JI.A. Мугинштейна, H.H. Широченко, Л.Д. Капустина, А.Н. Савоськина, A.B. Каменева, C.B. Власьевского, Ю.М. Кулинича,

B.В. Литовченко, И.В. Павлова, Г.А. Штибена, JI.B. Поссе, И.Н. Фроленкова, К.Г. Кучма, Ю.М. Инькова, Ю.К.Розанова, JI.M. Трахтмана, C.B. Захаревича,

C.А. Петрова, Н.С. Копанева, В.Б. Похеля и многих других.

На основании проведенного анализа способов и средств повышения качества электроэнергии в тяговой сети и коэффициента мощности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения, определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма управления сетевой коммутацией инвертора электровоза и оценке его влияния на коммутационные колебания и на коэффициент мощности электровоза.

В главе раскрыта природа возникновения свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза, появляющихся при начале и после окончания сетевой коммутации тиристоров ВИП.

Рис. 1. Свободные колебания напряжения на токоприемнике электровоза при типовом алгоритме управления инвер-тором(Г/от - напряжение на шинах тяговой подстанции, и і - напряжение на токоприемнике электровоза)

Возникновение колебаний напряжения на токоприемнике (рис. 1), связано с организацией коммутации в плечах инвертора при осуществлении зонно-фазового регулирования напряжения. Эти колебания появляются при переходе инвертора электровоза из режима проводимости в режим коммутации в момент подачи управляющих импульсов Р на тиристоры (коммутационные колебания) и обратном переходе в режим проводимости после окончания коммутации в момент времени Р-у (послекоммутационные колебания).

Причиной колебаний является то, что во время подачи управляющих импульсов с фазой [} на тиристоры инвертора происходит резкое снижение эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза. Снижение сопротивления происходит из-за возникновения

короткого замыкания отдельных вторичных обмоток силового трансформатора электровоза. Результатом этого является скачок принужденной составляющей напряжения контактной сети на токоприемнике Щ на величину Ди„ (рис. 1) и возникновение высокочастотных коммутационных колебаний этого напряжения.

После окончания сетевой коммутации в момент перехода инвертора в режим проводимости (угол р-7) возникают подобные им послекоммутационные колебания. Данные колебания появляются вследствие увеличения принужденной составляющей напряжения сети'на токоприемнике на величину &ик из-за увеличения эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза.

Исследования, посвященные повышению качества электроэнергии, показали, что амплитуды коммутационных и послекоммутационных колебаний напрямую зависят от величины перепадов напряжения, возникающих в кривой принужденного напряжения на токоприемнике электровоза в моменты начала и конца сетевой коммутации инвертора (Аин,АСГк).

Анализ электромагнитных процессов инвертора в коммутационные интервалы времени позволил определить функциональную зависимость величины перепадов напряжения в кривой принужденного напряжения сети от эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза

д и,=

(Xк + Xш) ■ (Е31 ■ (Х-к + Хт) + £э, ХЭ2 + Ет ■ яп( 180° - р ) ■ (Хэ, - ХЭ2)) (%ТС + Хтп + ХЭ1)-

(1)

где Ет ■ ¡іп< 180° - р) - напряжение на шинах тяговых подстанций в момент 180°-р, Хп: - эквивалентное индуктивное сопротивление тяговой сети до места

расположения электровоза, хт - индуктивное сопротивление трансформатора тяговой подстанции и системы внешнего электроснабжения £31 ~ эквивалентная ЭДС электровоза в режиме проводимости, - эквивалентное индуктивное сопротивление электровоза в докоммутационный период.

Соответственно амплитуда послекоммутационных колебаний определяется значением роста принужденной составляющей питающего напряжения на величину AUKl и AUK2 в моменты окончания коммутации в большом и малом контурах коммутации соответственно

^ {Хтс + Хтп )-(ЕЭЗ (*ТС +Х777 +ХЭ2)-ЕМ зт(і80° -Р + 7І) (ХЗЗ -ХЭ2)) . (2)

жі (*тс+*га+*э2)-(*тс+*га + *эз)

(утс + Хт )• (- ЕЭЪ ■ (Xтс + ХТП+Х34)+Е34 (Х7с+ХГП+Х3,)+Ет- Д/і(і80" -Рн-у)- (уэз -ХЭ4)) /3)

ж1~ (Хтс + Хт+Хэ^^тс + Хт+Хэь)

Для снижения амплитуд коммутационных и послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза необходимо непосредственно воздействовать на причину, порождающую эти колебания, а именно, на процесс сетевой коммутации инвертора электровоза. Для этого в диссертационной работе предлагается новый алгоритм управления инвертором.

Согласно этому алгоритму управления необходимо подавать управляющие импульсы на тиристоры плеч инвертора таким образом, чтобы разбить большой контур коммутации на два, следующих по очереди один за другим.

Следствием такой организации коммутации тиристоров становится уменьшение величины перепада первичного напряжения на токоприемнике электровоза в два этапа: сначала на величину Д UнХ - результат коммутации в первом контуре, а затем на величину A Uh2 - результат коммутации в последующем втором контуре.

Для организации нового способа управления преобразователем подача импульсов системой управления на тиристоры плеч, образующих данную зону регулирования, должна осуществляться с некоторой задержкой относительно импульсов, подаваемых на тиристоры плеч, не участвующих в коммутации при образовании зоны в типовом алгоритме управления.

Например, на IV зоне регулирования в полупериод питающего напряжения, обозначенный на рис.2 стрелкой, после фазовой коммутации ток инвертора протекал через плечи VS4 и VS7. В момент Р подаются импульсы на тиристоры плеча VS5. Тем самым образуется короткозамкнутый контур через секцию трансформатора 2-Х! и тиристоры плеч VS5 и VS7. В тоже время за счет секции 1-2 инвертор продолжает работать в режиме проводимости. После окончания коммутации в контуре VS5-VS7 (после закрытия тиристора VS7) в момент, соответствующий Р3, подаются импульсы управления на тиристоры плеч VS1 и VS8. В результате подачи задержанных импульсов с фазой Р3 образуется два короткозамкнутых контура,

один из которых состоит из секций трансформатора а-1 и 1-2 и тиристорами плеч УБ1 и УБ5, второй - секциями 1-2 и 2-Х] и тиристорами плеч УБ4 и УБ8.

Под действием ЭДС двух секций вторичной обмотки коммутация в контуре У81-У85 заканчивается раньше, переводя в режим проводимости секцию трансформатора а-1. После закрытия плеча УБ4 сетевая коммутация заканчивается.

Рис. 2. Схема протекания токов во время сетевой коммутации в инверторе электровоза с использованием предлагаемого способа управления (IV зона регулирования)

Особенность данного алгоритма заключается в том, что при создании контура У85-УБ7 инвертор продолжает проводить ток через плечи УБ4 и У55, т.е. в момент начала коммутации не происходит полного закорачивания секций вторичной обмотки трансформатора. В результате этого в кривой выпрямленного напряжения добавляется дополнительный положительный участок, соответствующий этому времени. При подаче импульсов на плечи УБ1 и УБ8 закорачиваются все секции, что соответствует нулевому значению напряжения на инверторе. После закрытия УБ5 в кривой выпрямленного напряжения появляется отрицательная область соответствующая напряжению на секции а-1. После окончания сетевой коммутации выпрямленное напряжение равно суммарному напряжению всех секций, участвовавших в коммутации (рис. 3). Такой порядок организации коммутации сглаживает кривую выпрямленного напряжения и соответственно кривую первичного напряжения, что в свою очередь уменьшает амплитуду свободных колебаний.

Кроме этого, разнесение во времени одновременного участия в двух контурах коммутации секции 2-х1 позволяет избежать появления отрицательного напряжения на этой секции, возникающего за счет ЭДС самоиндукции от коммутационных токов. Это позволяет использовать в течение коммутационного интервала времени участок, соответствующий времени коммутации в добавочном контуре, под прово-

димость, увеличивая тем самым возврат полезной энергии в тяговую сеть. Благодаря этим двум особенностям происходит увеличение среднего значения выпрямленного напряжения инвертора VІІ (рис. 3), тем самым повышается коэффициент мощности электровоза и эффективность рекуперативного торможения.

Рис. 3. Кривая выпрямленного напряжения при предлагаемом алгоритме управления с применением диодного плеча

Рост коэффициента мощности электровоза объясняется тем, что в предлагаемом способе за счет изменения организации коммутации тиристорных плеч инвертора кривая мгновенной мощности на участке активной составляющей увеличивается на величину участка, соответствующего коммутации в контуре У85-У87, а на участке реактивной составляющей - уменьшается на величину этого же участка.

Процессы протекания коммутации на П и Ш зонах регулирования аналогичны процессам на IV зоне. Распределение управляющих импульсов по плечам инвертора для II, III и IV зон регулирования представлены в табл. 1.

Следствием применения такого алгоритма управления является снижение амплитуд свободных колебаний напряжения, вызванных началом сетевой коммутации (рис. 4).

Величины перепадов напряжения в кривой принужденного напряжения при применении нового алгоритма управления определяются по формулам:

(Хтс +*777)((ЕЭ1 -Еэг)(хтс+Хтп)+Еэ\ ХЭ2 ~ЕЭ2 *Э1 +Вп-ял(180° -р)-(*Э1 "*Э2)) _ Л"эм1 = {Хтс+Хтп +*Э1)-(*ТС +Хгя +Хэ г) '

_ (Хтс + хтп) (Еэг-(хтс+хтп +хэъ)+ эн2_ (Хгс+*П7+Хэ2)-(Х7С+*гя + Хэз)

(Xгс + Хт )• (Е34 ■ (Хк + ХТП + *ЭЗ)+ ■ 80° - Р + ?3 + Т1 )• (*ЭЗ - *Э4)) ■ 3x1 ~ (ХК+ХТП + ХЭЗ)(ХГС + ХТП+ХЭ4)

(Хтс+Хтп){рт -Дш(|80°-р + 7з->-71 + 72 )(-УЭ4 ~-УЭ5)+еЭ5 {ХТС + *ТП + Хэ*)~ ¿34 (ХТС+ХТП +

Хэ;)}

"зЛ (А'тс + Хтп + *Э4)■ {Хтс + Хтп + *Э5)

Таблица 1

Новый алгоритм управления тиристорами инвертора

Зона регулирования Полупериод Плечи инвертора

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8

IV fc - - Рр Р - - Рз

Рз рр - р Рз

III 4- - - Рз - Р Рр - Рз

-» - - - Рз Рр Р Рз -

II «- Рз - р Рр - Рз - -

-> - Рз Рг Р Рз - - -

I <- - - Рр - Рр - -

-» - - - Рр Рр - -

Однако, применение данного алгоритма не дает возможности оказать воздействие на послекоммутационные колебания, так как одновременно со сменой времени подачи импульсов на открытие тиристоров инвертора невозможно повлиять на время окончания коммутации тиристоров без изменения структуры преобразователя.

Для влияния на процессы окончания коммутации, а следовательно, и снижения высокочастотных колебаний, содержащих высшие гармонические составляющие напряжения", предлагается подключение параллельно цепи выпрямленного тока диодного плеча. Диодное плечо подключается катодом к анодной и анодом к катодным шинам преобразователя (рис.2).

При предлагаемом способе управления включение диодного плеча в работу происходит В момент времени 180° -Р + Уз и электрическая цепь тиристорного плеча, вступающего в работу очередного цикла, замыкается не через цепь генератора (двигателя), а накоротко через диодное плечо VD. Во время открытия и закрытия диодного плеча ток через него протекает плавно, вследствие чего отсутствуют перепады в кривой питающего напряжения, а, следовательно, и соответствующие этим перепадам высшие гармонические составляющие. Также к преимуществам применения диодного плеча следует отнести его положительное влияние на устойчивость инвертора. Объясняется это тем, что вслед за окончанием коммутации в контуре VS5-VS7, сразу же начинается коммутация токов тиристоров в двух короткозамкнутых контурах, образованных тиристорами плеч VS5, VS1, секциями вторичной обмотки трансформатора al-1 и 1-2 (оставшаяся

Рис. 4. Форма напряжения на токоприемнике электровоза при новом способе управления (Чти - напряжение на шинах тяговой подстанции)

часть большого контура), а также тиристорами плеч VS4, VS8 и секциями 1-2 и 2-х1 (малый контур). Причем, большую долю времени протекает коммутация в малом контуре (угол 72), которая происходит сразу после окончания закрытия плеча VS5 и полного открытия плеча VS1. Поэтому скорость закрытия плеча VS4 под действием начала открытия плеча VS8 увеличивается лишь по прошествии времени, соответствующего углу 7,. В схеме с включением диодного плеча окончание коммутации в малом контуре (закрытие плеча VS4) может произойти позднее вплоть до начала следующего полупериода питающего напряжения и далее, чем в схеме инвертора без диодного плеча VD.

Однако, в связи с тем, что при открытии диодного плеча VD ток, протекающий через него за счет его малого внутреннего сопротивления, имеет большую скорость нарастания. Это явление вызывает в индуктивных элементах электровоза дополнительную ЭДС самоиндукции, равную е = L—, что в свою оче-

dt

редь вызывает протекание реактивного тока через обмотки тягового трансформатора, а, следовательно, потери, что негативно влияет на КПД электровоза. Одновременно с этим происходит повышение значений токов в конце полупериода питающего напряжения, протекающих через тиристорные плечи. Следствием этого может стать уменьшение ресурса работы тиристоров преобразователя. Чтобы избежать данной ситуации, необходимо либо выбирать более высокий класс тиристоров, что влечет за собой большие финансовые затраты, либо добиться ограничения величины тока, протекающего через диодное плечо.

Для уменьшения реактивной энергии и соответственно потерь в тяговом трансформаторе во время коммутации предлагается последовательно с диодным плечом включить добавочный токоограничивающий резистор Rom для ограничения скорости нарастания тока в момент включения диодного плеча в работу. Сопротивление резистора необходимо выбирать исходя из совместного анализа критериев: величина потерь в резисторе, величина потерь в тяговом трансформаторе электровоза и максимальное значение тока, протекающего через диодное плечо VD.

Выбор величины сопротивления резистора был осуществлен из условия не более, чем 10-процентной нагрузки по току инвертора в номинальном режиме работы электровоза на IV зоне регулирования напряжения.

Для детального анализа процессов коммутации и количественной оценки улучшения качества электрической энергии, а также повышения значения коэффициента мощности электровоза была разработана математическая модель «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения».

Третья глава посвящена методике разработки обобщенной математической модели «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения». Электровоз переменного тока в процессе своей работы непрерывно электрически взаимодействует как непосредственно с тяговой се-

тью, так и через нее с тяговыми подстанциями. Поэтому при построении обобщенной математической модели схемы силовых цепей электровоза с учетом контактной сети целесообразно использовать принцип разбиения общей модели на взаимодействующие между собой частные модели: тяговая подстанция, участок тяговой сети, силовой трансформатор электровоза, четырехзонный инвертор электровоза, система управления выпрямительно-инверторным преобразователем и цепь постоянного тока.

Математическая модель тяговой подстанции представлена источником синусоидального напряжения. Составление математической модели силового трансформатора тяговой подстанции производится по Г-образной схеме замещения.

Тяговая сеть представлена как линия с распределенными параметрами (длинная линия). Частотная зависимость электрических продольных параметров линии была получена аппроксимацией данных, полученных сотрудниками ВНИИЖТ при экспериментальных исследованиях зависимости параметров линии от частоты.

При реализации модели контактной сети в пакете схемотехнического моделирования OrCAD контактная сеть представлена как модель линии с потерями, которая присутствует в библиотеке OrCAD. В этом случае по погонным данным линии аналитически рассчитывается комплексный коэффициент передачи линии, а анализ переходных процессов производится с помощью интеграла свертки с импульсной характеристикой линии. Импульсная характеристика, в свою очередь, определяется как преобразование Фурье коэффициента передачи.

Математическая модель схемы силовых цепей электровоза состоит из модели силового многообмоточного трансформатора электровоза, четырехзонного инвертора с системой управления и цепи постоянного тока.

При создании математической модели силовой трансформатор электровоза представлен в качестве трехобмоточного на каждой зоне регулирования, кроме первой. При этом параметры двух вторичных обмоток меняют свои значения при переходе с одной зоны регулирования на другую.

Вследствие того, что в библиотеке пакета OrCAD нет модели многообмоточного трансформатора, то в данной работе используется модель, составленная C.B. Власьевским, которая состоит из нескольких двухобмоточных трансформаторов, соединенных параллельно. В этой модели учитываются взаимная индуктивность между обмотками с соответствующими коэффициентами магнитной связи, индуктивности рассеяния и активные сопротивления отдельных частей обмоток.

Математическая модель инвертора электровоза в режиме сетевой комму-

div

тации выполняется расчетом производной тока коммутации —— в контурах

dt

коммутации в соответствии со схемами замещения для инвертора на IV зоне регулирования. Расчет выполняется для существующего типового алгоритма

управления и предлагаемого алгоритма с включением в электрическую цепь электровоза диодного плеча.

Модель системы управления инвертором электровоза представлена тремя составляющими: моделью блока управления инвертором, который подает регулируемые импульсы на тиристоры его плеч по зонам регулирования согласно алгоритму управления, системой слежения за длительностью коммутации в добавочном контуре для определения времени подачи управляющих импульсов рз и системой автоматического регулирования (САР) угла запаса инвертора 8.

Моделирование системы управления инвертором осуществляется при помощи импульсных источников напряжения (элемент УРШ^Е) с заданными минимальными углами открытия тиристоров Д, регулируемым углом открытия тиристоров Др и в случае предлагаемого алгоритма управления задержанным углом Д.

Система слежения за длительностью коммутации в добавочном контуре для определения времени подачи импульсов управления рз моделируется ключом, управляемым током (элемент \Vbreak), который включен нормально разомкнутыми контактами между управляющим электродом тиристора, на который должен подаваться импульс /?3, и импульсным источником напряжения.

Моделируемая САР реагирует на длительность коммутации у, которая зависит от токовой нагрузки электровоза, индуктивного сопротивления цепи переменного тока вследствие перемещения электровоза по фидерной зоне и напряжения зоны, подаваемого на тиристоры плеч. В зависимости от длительности коммутации САР изменяет величину угла Д, тем самым обеспечивая постоянство угла запаса 3. При построении САР реализован принцип вертикального управлении инвертором.

При разработке математической модели цепь постоянного тока инвертора заменена эквивалентной схемой, которая содержит эквивалентные индуктивность Ьл, активное сопротивление гл и ЭДС тяговых двигателей. Для анализа переходных процессов параметры тяговых двигателей приняты одинаковыми. Исходя из этого, были получены выражения для определения эквивалентных активного сопротивления г^э и индуктивности цепи постоянного тока для режима инвертора. Падение напряжения на диодном плече УБ и включенном последовательно ему резисторе учитывается величиной А1/рд. Также вследствие слабого влияния на процессы, протекающие в тяговом двигателе при установившемся режиме, вихревые токи при моделировании не учитывались. При моделировании цепи постоянного тока также была учтена зависимость ЭДС генератора Е от тока возбуждения 1В , которая носит нелинейный характер.

Далее в главе проведена оценка адекватности процессов в разработанной математической модели системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» процессам в реальном электровозе. Для проверки адекватности построенной математической модели были сопоставлены результаты работы реального электровоза при определенных уело-

виях и результаты моделирования при таких же условиях. В качестве экспериментальных данных были использованы результаты, полученные сотрудниками ДВГУПС и ИрГУПС в ходе эксплуатационных испытаний электровоза ВЛ80Р в режиме рекуперативного торможения. Испытания были произведены в 2011 г. на участке Андриановка - Ангасолка ВСЖД.

В качестве критериев для оценки сходимости модели с экспериментальными данными были избраны показатели, характеризующие форму периодически изменяющихся кривых, - полный коэффициент гармоник К и и п-ая гармоническая составляющая Ки(п) (в качестве обозначений приняты обозначения согласно ГОСТ 13109-97):

где (/(„) - действующее значение и-ой гармонической составляющей напряжения, В; я - порядок гармонической составляющей напряжения; N - порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения, стандартом ограничивается N = 40; С/щ - действующее значение напряжения основной частоты, В.

Полный коэффициент гармоник кривой напряжения, определенный по экспериментальной кривой составил 10,8%, а по кривой моделирования - 11,3%. Также по результатам расчетов, полный коэффициент гармоник кривой тока, определенный по математической модели составил 28,1%, а по результатам эксперимента - 30,5%. Расхождение по полному коэффициенту гармоник напряжения составляет 4,3%, а по току составляет 8%, что не превышает допустимую погрешность математического моделирования в 10%.

Расхождение в значениях п-ой гармонической составляющей напряжения в диапазоне гармоник с 1 по 21 лежит в пределах от 4 до 8%, а тока в том же диапазоне гармоник - от 1 до 9 %. Полученные показания являются также допустимыми и свидетельствуют о достаточно хорошей сходимости результатов моделирования.

Таким образом, разработанная математическая модель является пригодной для проведения исследований электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» при типовом и новом алгоритмах управления тиристорами преобразователя.

Также в главе был проведен сравнительный анализ электромагнитных процессов в моделях штатного электровоза и электровоза с изменениями в силовой электрической схеме и алгоритме управления инвертором.

В результате моделирования работы электровоза в режиме рекуперативного торможения с типовым алгоритмом и новым алгоритмом управления совмест-

но с диодным плечом были получены осциллограммы, подтверждающие основные положения нового способа управления инвертором электровоза (рис. 5, 6).

Рис. 5. Осциллограмма токов тиристорных плеч в коммутационный интервал времени на IV зоне регулирования: а - с типовым алгоритмом управления; б- с новым алгоритмом управления и диодным плечом

І

ф 1.

і

!

в-10

15 20

0 5

Рис.6. Осциллограммы выпрямленных тока и напряжения: а - при типовом алгоритме управления; 6 - при новом алгоритме с включением диодного плеча

Из осциллограммм видно, что в период сетевой коммутации существует три контура, соответствующие времени подачи управляющих импульсов на тиристоры плеч инвертора (рис. 5, б). В результате, в кривой выпрямленного напряжения присутствует дополнительная положительная и отсутствует отрицательная области, что повышает коэффициент мощности электровоза (рис. 6, б).

В результате моделирования работы электровоза в режиме рекуперативного торможения при исследуемых алгоритмах управления были получены осциллограммы напряжения и тока в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза (рис. 7). Для кривой напряжения был получен гармонический состав, который представлен на рис. 8.

Рис. 7 Осциллограммы напряжения на токоприемнике электровоза и кривые потребляемого тока в режиме рекуперативного торможения: а - при типовом алгоритме управления; б - при новом алгоритме с диодным плечом

номер гармоники

Рис. 8. Коэффициент 11-ой гармонической составляющей напряжения на токоприемнике электровоза при разных алгоритмах управления инвертора: в - типовой алгоритм; в - предлагаемый способ

Анализ рис. 7 и 8 показывает, что при новом алгоритме управления с включением диодного плеча происходит снижение коммутационных и послекоммута-ционных колебаний. Сравнение гармонического состава рассматриваемых алгоритмов управления инвертора показывает, что при новом алгоритме с диодным плечом снижение амплитуд нечетных гармоник происходит практически во всем рассматриваемом диапазоне частот. Снижение гармоник в диапазоне с 11 по 21 происходит из-за наличия в кривой выпрямленного напряжения дополнительной положительной области. Снижение более высоких гармоник объясняется снижением коммутационных и послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза.

Также за счет появления дополнительной полезной области (от применения нового алгоритма) и отсутствия отрицательного участка (применение диод-

ного плеча) в кривой иа происходит повышение коэффициента мощности электровоза. Результаты сравнения работы электровоза с типовым алгоритмом управления и новым способом приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета значений коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициента мощности электровоза по зонам регулирования

Зона регулирования ки,% Км

типовой алгоритм новый алгоритм с диодным плечом типовой алгоритм новый алгоритм с диодным плечом

II 6,66 5,43 0,466 0,472

Ш 7,86 6,89 0,554 0,626

IV 12,38 9,82 0,753 0,827

Таким образом, проведенное математическое моделирование электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть — электровоз в режиме рекуперативного торможения» позволило установить, что на IV зоне регулирования коэффициент искажения синусоидальности напряжения Ки уменьшился на величину до 22% по сравнению с типовым алгоритмом управления, а коэффициент мощности электровоза увеличился до 9%. В целом, вследствии повышения коэффициента мощности увеличение возврата электроэнергии в тяговую сеть составило до 6,5%.

В четвертой главе приведены схемотехнические решения по реализации нового способа управления многозонным инвертором.

В главе разработаны основные схемотехнические решения путем внесения изменений и дополнений в кассету блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем (БУВИП) современных электровозов. Модернизации подверглись кассетные блоки БУВИП-133 электровоза ВЛ80Р: блок регулирования угла запаса инвертора БРУЗ-089 и блок распределительного устройства БРУ-552.

Схемные изменения и дополнения, выполненные в кассете БРУ-552, представлены на рис. 9.

Также в данной главе выполнен расчет технико-экономической оценки эффективности разработанного способа управления, снижающего негативное влияние электровозов на качество электроэнергии в тяговой сети и повышающего коэффициент мощности электровоза.

В результате проведенного расчета была получена годовая экономия денежных средств на один электровоз АЭГ = 87544,46 руб. со сроком окупаемости разработки Т01С = 1,76 года.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой решение важной народно-хозяйственной задачи повышения энергоэффективности рекуперативного торможения электровозов переменного тока.

Адрес Цепь

89

А82 и«. Ь9

А114 X сЗ с4

»3

А83 Я ьз

аб

А87 С Ь6

дев а за м

А84 УаРИ »7 Ь7

«1

А1 Корпус Ы

А65 а »2 ьг

Авв Ь а5 Ь5

А73 Ъ аО ЬО

А57 ^ашозб е< М

А49 +5 В СІ с2

'XX

'тт

Цепь Адрес

а1 Ы Тяга фаза А8Т

СО с9 Тяга фаза инверт А«0

аз Ь9 А92

а8 Ы А93

а7 Ь7 А94

07 ев У«,. А95

аб № А 96

а5

< А97

Ь5

с5

А98

сб

а4

А99

М

аЗ ЬЗ А100

сЗ с4 І0 АІ01

аИ Ь2 Рекулер. Фаза инверт. А78

СІ с2 Рекупер фаза А79

аО ЬО ОВ А20 1ІЗМЄ

Рис. 9. Схема изменений и дополнений, внесенных в кассетный блок БРУ-552 БУВИП-133 электровоза ВЛ80Р для осуществления нового алгоритма управления

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

- разработан новый алгоритм управления инвертором электровоза на II, ПІ и IV зонах регулирования напряжения;

- показано, что применение нового алгоритма управления и включение диодного плеча в электрическую схему инвертора электровоза позволяет снизить коммутационные и послекоммутационные колебания напряжения на токоприемнике электровоза, а также повысить коэффициент мощности электровоза;

- создана математическая модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» с применением нового алгоритма управления многозонным инвертором и включением в его схему диодного плеча. Эта модель позволяет проводить исследования электромагнитных процессов в системе с оценкой показателей качества электрической энергии по несинусоидальности напряжения и коэффициента мощности электровоза;

- проведенное математическое моделирование электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» позволило установить, что в целом коэффициент искажения синусоидальности напряжения Ки уменьшился по сравнению с типовым алгоритмом управления на величину до 22 %, а коэффициент мощности электровоза увеличился соответственно до 11,7% с одновременным увеличением возврата электроэнергии в тяговую сеть до 6,5%.

- разработаны изменения в силовой схеме электровоза с включением в нее диодного плеча и схемотехнические решения модернизации кассеты БРУЗ-089 и БРУ-552 БУВИП-133 электровоза ВЛ80Р для реализации нового алгоритма

управления инвертором;

- годовая экономическая эффективность на один электровоз составила 87544,46 руб. при применении нового алгоритма управления и диодного плеча со сроком окупаемости в 1,76 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Власьевский, C.B. Повышение эффективности работы электровозов переменного тока в режиме электрического рекуперативного торможения [Текст] / C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, Д.С. Фокин // Вестник ВНИИЖТ. - № 6. - 2009. - С. 28-33.

2. Власьевский, C.B. Повышение коэффициента мощности выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения [Текст] / C.B. Власьевский, Е.В. Буняева,

B.Г. Скорик, Д.С. Фокин // Электроника и электрооборудование транспорта. -№ 1.-2011.-С. 2-5.

В других изданиях

3.Пат. 2418354 Российская Федерация, МПК Н02М5/12. Зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока [Текст] / C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик, Д.С. Фокин; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС) - № 2010113666/07; заявл. 07.04.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13.

4. Пат. 2469458 Российская Федерация, МПК Н02М7/53846 (2007.01). Способ управления зависимым инвертором однофазного переменного тока [Текст] /

C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, О.В. Мельниченко; Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС) - № 2011130660/07; заявл. 21.07.2011 ; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 34.

5. Буняева, Е.В. Влияние рекуперативного торможения электровозов переменного тока на качество электроэнергии в тяговой сети [Текст] / Е.В. Буняева И Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке : материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 22-24 апреля 2009. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009. - Т. 1. - С. 82-84.

6. Буняева, Е.В. К вопросу о качестве электроэнергии в тяговой сети при работе электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст] / Е.В. Буняева, C.B. Власьевский, В.Г. Скорик // Электрификация транспорта «ТРАНСЭЛЕКТРО - 2009» : материалы III Международной научно-практической конференции, Мисхор, 03-05 июня 2009 г. - Днепропетровск: Издательство ДНУЖТ, 2009. - С. 34.

7. Власьевский, C.B. Повышение энергетических показателей рекуперативного электрического торможения электровозов переменного тока [Текст] / C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик, Д.С. Фокин // Электромеханические преобразователи энергии : материалы IV Международной научно-технической конференции, 13-16 октября 2009 г. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. -С. 26-30.

8. Буняева, Е.В Система автоматического регулирования угла опережения однофазного ведомого сетью инвертора электровоза переменного тока [Текст] / Е.В. Буняева, В.Г. Скорик, Д.С. Фокин // Электромеханические преобразователи энергии : материалы IV Международной научно-технической конференции, 13-16 октября 2009 г. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - С. 308-312.

9. Буняева, Е.В. Анализ путей улучшения электромагнитной совместимости магистральных электровозов в режиме рекуперативного торможения и тяговой сети [Текст]/ Е.В. Буняева // Проблемы транспорта Дальнего Востока : материа-

лы восьмой международной научно-практической конференции. 30 сентября -2 октября 2009 г. - Владивосток: Издательство ДВО Российской Академии транспорта, 2009. - С. 127-128.

10. Власьевский, C.B. Повышение эффективности работы электровозов переменного тока в режиме электрического торможения [Текст]/ C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик, Д.С. Фокин // Пятый международный симпозиум Eltrans'2009: Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте : тезисы докладов, 20-23 октября 2009 г., Санкт-Петербург. - СПб. : Изд-во ПГУПС, 2009. -С. 19-20.

11. Власьевский, C.B. Повышение эффективности работы электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения в режимах тяги и рекуперативного торможения [Текст] / C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик, Д.С. Фокин // Наука, творчество и образование в области электроснабжения -достижения и перспективы : труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников, Хабаровск, 11-12 ноября 2010 г. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2010. - С. 42-44.

12. Власьевский, C.B. Повышение эффективности работы электровоза переменного тока с плавным регулированием напряжения в режимах тяги и рекуперативного торможения [Текст]/ C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик, Д.С. Фокин // Электрификация транспорта (научный журнал) - 2011- № 1. -С. 30-34.

13. Власьевский, C.B. Снижение свободных колебаний напряжения в контактной сети при работе электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст]/ C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик // Электрификация транспорта 2012. - № 3. - Днепропетровск: Изд-во ДНУЖТ, 2012. -С. 43-48.

14. Власьевский, C.B. Снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения контактной сети при работе электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст]/ C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик // Электрификация транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2012 (технические и экономические науки): Материалы VI международной научно-практической конференции, Днепропетровск, Украина, 25-28 сентября 2012. - Днепропетровск: Издательство ДНУЖТ, 2012. - С. 57-58.

15. Власьевский, C.B. Способ снижения высокочастотных колебаний напряжения при работе электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст] / C.B. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г. Скорик // Электропривод на транспорте и в промышленности : труды Всероссийской научно-практической конфёренции, 25-27 сентября 2013. - Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 2013. - С. 145-149.

Личный вклад автора. Работы [5, 9] написаны лично автором. В работах, опубликованных в изданиях из перечня ВАК [1,2] вклад автора составляет 50 и 40 % соответственно. В патентах на изобретения автором внесен вклад на 50%. В публикациях[7, 10-12] автором выполнено 40 %. В публикациях [6, 8, 13-15] личный вклад автора составляет 70 %.

Буняева Екатерина Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.11.2013 г. Формат 60x84'/i6. Гарнитура «Times New Roman». Уч.-изд. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,4. Зак. 300. Тираж 100 экз.

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.В. ВЛАСЬЕВСКИЙ

Хабаровск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

1 АНАЛИЗ НАУЧНЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................................... 11

1.1 Анализ научных публикаций, направленных на повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения электровозов переменного тока.................................................................... 11

1.2 Постановка цели и задач исследования ................................................ 33

2 СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРОМ ЭЛЕКТРОВОЗА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА................................................ 35

2.1 Причины ухудшения качества электроэнергии по показателям, характеризующим форму напряжения........................................................ 35

2.2 Влияние алгоритма сетевой коммутации инвертора электровоза на свободные колебания в тяговой сети и коэффициент мощности электровоза...................................................................................................... 43

2.3 Разработка алгоритма управления сетевой коммутацией инвертора электровоза и его влияние на коммутационные колебания....................... 62

2.4 Применение диодного плеча в силовой электрической схеме ^ электровоза......................................................................................................

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ «ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ - КОНТАКТНАЯ СЕТЬ - ЭЛЕКТРОВОЗ В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ».................................................. 84

3.1 Общие принципы имитационного математического моделирования 84

3.2 Обобщенная математическая модель системы «тяговая подстанция -контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения»... 88

3.2.1 Математические модели тяговой подстанции и контактной сети ... 90

3.2.2 Математическая имитационная модель электровоза переменного

тока................................................................................................................... 95

3.2.3 Математическая модель системы управления выпрямительно-инверторным преобразователем................................................... 112

3.3 Оценка адекватности процессов в разработанной математической модели системы «контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» процессам в реальном электровозе....... 118

3.4 Сравнительный анализ электромагнитных процессов в моделях штатного электровоза и электровоза с изменениями в силовой электрической схеме и алгоритме управления

инвертором.............................................................................. 122

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ

НОВОГО СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРОМ ЭЛЕКТРОВОЗА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА..........................................................................................................................................................129

4.1 Модернизация устройств управления в БУВИП-133 и силовой

схемы электровоза ВЛ80Р для реализации нового алгоритма ^д

управления....................................................................................................

4.2 Экономическая оценка эффективности разработки....................................................139

ВЫВОДЫ ........................................................................................................................................................................................................146

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ А ............................................................................................................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Повышение энергоэффективности и безопасности перевозочного процесса является основной задачей поставленной ОАО «РЖД» перед локомотивным хозяйством. Одним из потенциальных путей решения данной задачи является применение рекуперативного торможения.

Принятая ОАО «РЖД» программа «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года» предусматривает сокращение удельного расхода электроэнергии на 5%. За счет применения рекуперативного торможения по сети железных дорог было сэкономлено в 2008 г. около 1,3 млрд. руб., а в 2010 г. - уже 2,3 млрд. руб [49, 101].

В настоящее время на электрифицированных железных дорогах России работают электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями (такие как ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ80ТК, ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К и ЗЭС5К). Эти электровозы оснащены системой рекуперативного торможения, с помощью которой появляется возможность увеличения пропускной и провозной способностей железных дорог, повышения безопасности движения поездов и возврат электроэнергии в контактную сеть [18, 60]. В тоже время существует ряд серьезных причин, сдерживающих широкое применение рекуперативного торможения.

К таким причинам относится то, что применение на электровозах вы-прямительно-инверторных преобразователей (ВИП) электровоза в режиме инвертора вызывает значительные искажения синусоидальной формы напряжения контактной сети на токоприемнике электровоза, а также инвертор электровоза обладает низким коэффициентом мощности.

Искажения напряжения, возникающие в тяговой сети, оказывают негативное влияние на эксплуатационные характеристики электровозов, а также на саму систему тягового электроснабжения. Например, высшие гармоники напряжения, генерируемые электровозом, приводят к появлению добавочных потерь в обмотках вспомогательных машин электровоза и тягового транс-

форматора. Эти потери приводят к сокращению срока службы изоляции, а также к повышению затрат электроэнергии на тягу поездов.

Искажения в кривой напряжения отрицательно влияют на работу блока синхронизации аппаратуры управления инвертором, в результате чего нарушается его устойчивость, так как в данном случае кривая питающего напряжения на токоприемнике может переходить через нулевое значение раньше, чем при синусоидальной форме, что может привести к опрокидыванию инвертора. Поэтому во избежание нарушения инверторного режима в реальных условиях эксплуатации задаются такие параметры системы управления инвертором, которые являются завышенными с точки зрения надежности его работы. Так, например, угол запаса инвертора принимается равным д = 2530°, что в два раза больше необходимого (<5 = 12-15°) по условиям устойчивости инвертора. Однако, увеличенное значение угла запаса значительно занижает коэффициент мощности КЛ/ электровоза, доведя его до 0,65 и менее.

Указанные недостатки ставят задачу по повышению энергетической эффективности электровозов с тиристорными преобразователями. Одним из перспективных направлений решения данной задачи является изменение структуры преобразователя либо изменение алгоритма управления инвертора.

В данной работе предлагается изменить алгоритм подачи импульсов на тиристоры ВИП и включить в его силовую схему диодное плечо. Этим самым обеспечивается плавный вход ВИП в коммутацию, путем постепенного перевода секций тяговой обмотки трансформатора электровоза в режим коммутации, что позволяет устранить резкое изменение значения принужденного напряжения на токоприемнике электровоза. Это, в свою очередь, влечет за собой и уменьшение амплитуд свободных колебаний напряжения в сети. Одновременно с этим постепенный переход секций вторичной обмотки тягового трансформатора электровоза из режима проводимости в режим коммутации позволит повысить коэффициент мощности электровоза. В то же время-применение диодного плеча позволяет практически исключить наличие на

токоприемнике электровоза послекоммутационных колебаний, а также повысить устойчивость инвертора.

Для определения показателей качества электроэнергии, возвращаемой в тяговую сеть электровозами, и коэффициента мощности электровоза разработана обобщенная математическая модель системы «тяговая подстанция -контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» и методика моделирования динамических электромагнитных процессов в преобразователе с реализацией модели на ЭВМ.

Определены показатели качества питающего напряжения на токоприемнике электровоза с типовым способом управления, новым алгоритмом управления инвертором и применением диодного плеча, а также произведена оценка коэффициента мощности электровоза на И, III и IV зонах регулирования.

Предложены технические решения (устройство управления и принципиальная силовая схема электровоза переменного тока с включением диодного плеча), обеспечивающие организацию коммутации по предложенному алгоритму, применение которых на электровозах серии ВЛ80Р позволит увеличить энергетическую эффективность рекуперативного торможения.

Целью работы является повышение энергоэффективности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения путем снижения коэффициента искажения синусоидальности напряжения (полного коэффициента гармоник) в тяговой сети и увеличения коэффициента мощности электровоза с помощью нового алгоритма управления многозонным инвертором и включением диодного плеча в схему инвертора.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- выполнен анализ существующих способов и средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения;

- предложен и обоснован новый алгоритм управления тиристорными плечами ВИП в режиме инвертора;

- разработана математическая имитационная модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» для анализа и оценки влияния различных способов управления инвертором на энергетические показатели электровоза;

- выполнены расчеты установившихся и переходных электромагнитных процессов для различных способов управления тиристорными инверторами электровоза и определены показатели качества электрической энергии, отдаваемой в тяговую сеть, а также коэффициент мощности электровоза;

- предложены технические решения (устройство управления и принципиальная силовая схема электровоза переменного тока с включением диодного плеча), обеспечивающие организацию коммутации по новому алгоритму;

- выполнена технико-экономическая оценка эффективности разработанных технических решений, повышающих энергетическую эффективность от применения рекуперативного торможения на электровозах переменного тока.

Общая методика исследований:

- аналитические исследования электромагнитных процессов в многозонном инверторе электровоза в предположении бесконечной мощности источника электрической энергии с приведением параметров тяговой сети и трансформатора тяговой подстанции ко вторичной обмотке силового трансформатора электровоза;

- применение численных методов для интегрирования системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения», на основе пакета математического моделирования ОгСАГ) 9.2;

- амплитудный анализ электромагнитных процессов для определения гармонического состава токов и напряжений в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза;

- математическое моделирование электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» с применением пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработан новый способ управления инвертором электровоза, реализующий новый алгоритм на II, III и IV зонах регулирования напряжения, который способствует повышению коэффициента мощности электровоза и снижению амплитуд высших гармоник напряжения в тяговой сети;

- разработана обобщенная математическая модель, которая позволяет проводить анализ электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» и определять показатели качества электроэнергии с учетом нового алгоритма управления инвертором и применением в силовой электрической цепи электровоза диодного плеча;

- получены функциональные зависимости перепадов величины питающего напряжения в моменты начала и окончания сетевой коммутации от эквивалентного индуктивного сопротивления цепи переменного тока электровоза.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель системы автоматического регулирования угла запаса инвертора <5, реагирующая на длительность коммутации плеч инвертора и позволяющая проводить точное измерение угла коммутации у;

- разработаны система слежения за окончанием коммутации в дополнительном контуре коммутации при реализации нового алгоритма;

- модернизированы кассеты БРУЗ-089 и БРУ-552 в блоке управления БУВИП-133 электровоза BJ180P, реализующие новый алгоритм управления четырехзонным инвертором;

- доказано, что применение нового алгоритма управления инвертора на IV, III и II зонах регулирования совместно с включением в силовую электрическую схему инвертора диодного плеча позволяет уменьшить коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения от 12 до 22% и повысить коэффициент мощности электровоза от 1,4 до 11,7% в зависимости от режима эксплуатации электровоза.

Адекватность процессов, полученных при математическом моделировании, доказана путем сравнения с экспериментальными данными работы электровоза на участке Андриановка-Ангасолка ВСЖД.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (22-24 апреля 2009 года, Хабаровск), ДВГУПС;

- на IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (13-16 октября 2009 года, Томск), ТПУ;

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Наука, творчество и образование в области электроснабжения - достижения и перспективы», (11-12 ноября 2010 года, Хабаровск), ДВГУПС;

- на Шестом международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов железнодорожного транспорта» («Элтранс - 2011», 25 - 28 октября 2011 года, Санкт-Петербург);

- на VI международной научно-практической конференции «Электрификация транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2012» (25-28 сентября 2012 года, Днепропетровск, Украина), ДНУЖТ;

- на Всероссийской научно-практической конференции «Электропривод на транспорте и в промышленности», (25-27 сентября 2013, Хабаровск года), ДВГУПС;

- на заседаниях семинаров кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2010-2013 годы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка из 101 наименования. Содержит 146 страниц основного текста, 5 таблиц и 64 рисунка.

1 АНАЛИЗ НАУЧНЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ научных публикаций, направленных на повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения электровозов переменного тока

Применение на электроподвижном составе (ЭПС) переменного тока тиристорных выпрямительно-инверторных преобразователей позволяет осуществлять не только плавное регулирование напряжения на тяговых двигателях электровоза, но и делает возможным применение рекуперативного торможения. Этот вид торможения основан на инвертировании энергии постоянного тока генераторов (это тяговые двигатели в режиме генераторов) в энергию переменного тока сети. Использование рекуперативного режима способствует как существенному повышению тягово-энергетических показателей электровозов, так и значительной экономии электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. Однако, существует ряд серьезных причин, ограничивающих широкое применение рекуперативного торможения: низкое качество электроэнергии в тяговой сети, неустойчивая работа преобразователя электровоза в инверторном режиме (возможность опрокидывания инвертора) и низкие энергетические показатели (низкий коэффициент мощности).

Низкая электромагнитная совместимость электровозов переменного тока и тяговой сети обуславливается тем, что при тиристорном регулировании происходит значительное искажение форм кривых питающего напряжения контактной сети и тока рекуперации, что свидетельствует о снижении качества электроэнергии, отдаваемой в сеть электровозом при рекуперативном торможении.

Исследования показывают, что степень иск�