автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система оперативного торможения для электровозов постоянного тока железных дорог Корейской Народно-Демократической Республики

ышжтерство путей соое!^ения.

¡«¡оскозски* ордена Ленина и ордена трудового красного

знамени институт игшекеров ьелезнодороаного транспорта киени ф.э.д35рл1'л:кого

На правах рукописи

ким сен нам

система рекуператизного тор^с^ение для ' электр030203 посто&нного тока аздезньк дорог корейской наро^о-д=:.:ограт1таскй1 республики

05.09.03 - Электротехнические комплексу и системы,

е¡сличая их ¿травление и регулирование 05.22.09 - Электрификация лзлеэнсдорэЕкэго транспорта

Автореферат диссертации на соискаг::е ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, и ордена Трудового Красного окачена институте инкенеров железнодорожного транспорта им. О.З.Дзеркинского

Научный руководитель - саслукенный деятель науки и техники

РСОТ, доктор технических коук, профессор ИСАЕВ Игорь Петрович Официальные оппоненты - доктор технических наук, старший

научный сотрудник ЮГЧУМОЗ Владислав Алексеевич - кандидат технических наук, доцент ДШУСШ Басилий .Николаевич Ведущее предприятие - Главное ¿-правление локомотивного

хозяйства 121С

Защита состоимся " 6 " 1992 . в

час. на заседании специализированного совета Д 114.05.07 при Московском институте инкенеров гелезнодорогкного транспорта по адресу: 101475, ¡иосква, А-55, ул. Образцова, 15, ауд. 7-У <?.

С диссертацией нокно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

П » . 1992 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института.

Ученый секретарь специализированного совета №<, X - Ыатвеевичев А.П.

ОБцАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнопть проблемы определяется сироким применением на железных дорогах КД^Р электрической тяг;: по системе

постоянного тока с напряжением 3 кВ. При обсей протяженности к.-д. сети КЦЦР СЕысе 6960 км все основные линии электрифицированы; полигон эксплуатации электровозов превышает 6600 км (76Й сети), а доля электрической тяги в общем грузообороте железных дорог составляет 92%. Электрифицированные линии имею? тяжелый профиль пути с руководящими подъемами более 20 о/оо; на отдельных линиях в северной части КНДР до 33 о/оо. Локомотиеный парк состоит из 6- и 8-осных электровозов отечественного производства мотостью соответственно 3300 и 5200 кВт. Весовая норка грузового поезда при электрической тяге составляет обычно 3000 т, средняя техническая скорость 45-50 км/ч при конструктивной скорости электровозов 120 км/ч.

Существенный недостаток эксплуатируемых электровозов состоит в отсутствии на больсинстве из них электрического торможения, что затрудняет вождение поездов на горных участках. Поэтому внедрение рекуперативного торможения являете/* важнейшей задачей электровозостроения КНДР и локомотивной службы железных дорог. На решение этой задачи направлены проводимые в стране исследования и испытания, в процессе которых на электровозах опробованы системы рекуперативного торможения с разнили способами возбуждения тяговых машин в генераторном режиме. Выявлены основные недостатки этих систем: неполное использование мощности электровоза при пекуперации, больная масса дополнительного

оборудования, что ведет к превышению допустимой осевой нагрузки 22 т/ось, не обеспечена завдта тяговых маскн.

В связи с этим поставлена конкретная задача разработки системы рекуперативного тормогения'для внедрения в первую очередь на эксплуатируемом парке электровозов (сеысз 320 единиц). Ьто повысит надежность и безопасность двике-кия поездов, позволит сократить расход электроэнергии электровозами на 15-20$'и увеличить скорость на вредных cn.yci._cX на 16-22 км/ч.

Цель работы состоит в анализе процессов рекуперативного тормокения электровозов постоянного тока на вредных спусках, обосновании критериев для сравнения систем рекуперации у. в разработке на этой основе конкретной системы рекуперации, приемлемой для модернизации парка 1ектрово-зов хелезных дорог КВДР.

Методика исследований включает ресение системы нелинейных уравнений, опидываших стационарный или переходный процесс в рекуперирующем электровозе при учете начальных условий и ограничений, характерных для тяговых машин постоянного тока. Ка основе этого выполнены расчеты тормозных и скоростных характеристик электровоза, реализованы требования к кесткости и устойчивости этих характеристик путем наложения обратных связей на систем (противокомпаундиро-вание). Аналогична образом обеспечено выполнение требований по качеству регулирования в переходных процессах.

Научная новизна работы заключается в том, что предложена математическая модель неоднородной электромашинкой системы рекуперирующего электровоза постоянного тока, учи-тываюиля нелинейность характеристики намагничивания тяговых

кагкн и особенности их функционирования з качестве генератора с отдачей энергии в тяговую четь и в качестве возбудителя. Кодел! разработана в двух вариантах, соответственно для устан' 1>:в=егося режима поддерживания постоянной скорости поезда на вредном сцуске и для переходных режимов. В последнем случае учтено влияние индуктиЕ.чостей и вихревых токов.

Ресенне системы нелинейных алгебраических или нелинейных дифференциальных ¿■равнений реализовано ч^слекн!:м методом на ЭБ'<! ЕС 1660. Анализ результатов репен'.'-я осуществлялся по критериям качества полученной системы тормозных характеристик, на основе чего обоснованы параметры рекуперативной схемы и введены дополнительные стабилиз:груц-кие элемента.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что предлогэна и обоснована у ^овэр-енствоЕанная система рекуперативного торможения, тре~уксая небольших затрат электрооборудования и пригодная для модернизации электровозов железных дорог КНДР.

Практическая ценность диссертации определяется также тем, что расчетные программы ЭЕ. и другие материалы могут быть непосредственно использованы для решения конкретных задач в процессе внедрения рекуперативного торможения.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены:на 1П Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране", Новочеркасск, БэЛНИИ, 1991; на научно-практической конференции ас...грантов, молодых ученых и специалистов "олектр'.'.ческое оборудование и электроснабжение",

Москва, ЫЖГ, 1991; на кафедре "Ьлпктрическая тяга" 1ШИГ, 1991; в отделе электрификации Министерства железных дорог КЦЦР, Пхеньян, 1991; на кафедре "Электрическое оборудование локомотивов" Пхеньянского института инкенеров гелезно-дорокного транспорта, 1990-1991.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из вве-дени. , пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Она содержит 166 страниц основного машинописного текста, 65 иллюстраций, 21 таблицу, 72 наименования используемой литературы и 4 приложения. Общий объем работы 245 с.

КРАТКОЕ СОДЕКШЖЕ РАБОТЫ

Введение содержит постановку задачи, решаемой в диссертации, и обоснование основных направлений исследования.

Глава I представляет собой обзор технических решений по.системам рекуперативного торможения электровозов постоянного тока. Рассмотрены системы рекуперации при независимом возбуждении тяговых машин от машинных и статических возбудителей, системы со смешанным и последовательным возбуждением.

Особое внимание уделено специальному классу рекуперативных систем с применением одной-двух тяговых машин в качестве возбудителей. Эти системы представляют особый интерес в рамках решения задачи по модернизации эксплуатируемых электровозов, которые' были выпущены заводом-изготови-

телом без рекуперации. В связи с эти;.: дальнейшее исследование выполнялось для систем этого типа, не требукиаис отдельных возбуд .телей. При этом учтен опит их эксплуатации на электрово х;: железных дорог Италии, Испр-нии и Бразилии, а такке изучены разработки и испытания такой системы, выполненные кафедрой "Электрическая тяга" ¡¿¿И£ГГа совместно с заводом "Динамо".:

Наряду с этим применительно к вновь разрабатываема электропоза;.; показана целесообразность применения унигер-сального полупроводникового преобразователя напряадния контактной сети. Этот преобразователь должен обеспечивать питание обмоток возбуждения тяговых масин, э том числе при рекуперации, и питание всех вспомогательных малин электровоза. При э :м в качестве последних кокно использовать низковольтные электродвигатели постоянного тока напрявянч-ем 440 3 или асинхронные.4 электродвигатели с коротхозаля-нуткм ротором (3x550 Б 60 1ц).

Глава 2 посвяцека обоснованна математической модели электромасинной системы электрооборудования электровоза в рекине рекуперации применительно к задачам расчета ¿'становившихся и переходных процессов. Основу этой модели составляет система ¿•равнений, описывакцих электромагнитные процессы в тяговых мааинах при любой системе возбуждения на базе аналитического представления характеристики намагничивания. Переходные процессы в тяговых кашинах рассматриваются при учете эффекта вихревых токов по методу д.т.н. М.З.лица.,

Обиля модель системы включает также расчет падений напряжения в тяговой сети при наличии в фидерной зоне нес-

кольких олектроЕОЗОв, какдый из которых монет работать в тяговом или тормозном режиме, ото вакно с точки зрения определения возможности реализации режима рекуперативного тормог.енкя для какого рекуперирующего электровоза при ограничении максимального напря«-еккя на токоприемнике на уровне.4 кБ.

Pia этой основе разработан алгоритм определения максимально возможного значения тока рекуперации для данной мгноьенной схемы расположения поездов (сечение графика движения).

Обоснованы требования к тормозным характеристикам электровоза по кесткисти, в том числе в условиях меняющегося напряжения в контактной сети (пределы изменения 2,4-4 кВ). Уточнена 1летодика расчета ограничений тормозных характеристик по сцеплению и по потенциальным условиям на коллекторе применительно к тяговым двигателям с компесаци-онкыми обмотками.

Глава 3 содержит анализ одной из наиболее отработанных систем рекуперативного тормокения, не требующей спе-■ циалького возбудителя и использующего в качестве возбудителей' одну или две тягоЕые машины' электровоза (схема кляхто.-Забродина). При этом исследованы тормозные характеристики этой системы с точки зрения их стабильности и пара-метрической чувствительности. Для этого проанализировано влияние резисторов, входящих в состав системы, на качественные показатели тормозных характеристик. В результате показано, что в схеме Нляхто-Забродина не обеспечивается . требование механической устойчивости тормозных характерно-^ тик в зоне высоких скоростей (более 75 км/ч), даже при

большем сопротивлении в контуре возбудителей ( « 1,4 Ом). Отмечены другие недостатки этой системы и поставлена задача ее совершенств, ¿ания.

Глава 4 содержит описание усовершенствованной системы рекуперации (показана на рис. I применительно к группировке П). Здесь тяговые маш!!ны^ 1-4 рабг-ают генераторами независимого возбуядекия на тяговую сеть, а машины 5-6 выпол- . няют функции возбудителей для машин 1-4. Предусмотрены стабилиз,крушие сопротивления Яс > обсий тормозной резистор Я и дополнительные сопротивления Я, , обеспечивающие противокомлаукдирование р екуперпрук:дпх май:ин. ¿днкая схема на 6-осном электровозе обеспечивает работу по трем группировкам при числе последовательно включенных рекуперирующих малин и 2,4,5 и на 4-осном электровозе-по двум группировкам при 5 «=■ 2,3.

Расчеты тормозкых характерист;я рекуперирующей мащ;:нь: выполнены на оК<1 на основе нелинейной систем уравнений стационарного реккма (обозначения соответствуют рис. I):

1р:

//

*с

Ос

¿а - Я, 4

(I)

где 2еш I + 2 ; = Я. + 3 + ;

-Г = ! 3 = 2, - /?с ;

= 2 Л + Л, + •/?*,' £. = с <РГ= ££ .

Я.1, ~

Задача си: :еза рассматриваемой системы рееена путем выбора параметров резистороз л'г , лс и л1 для достижения наиболее благоприятных значений коэффициента про-тивовозбуждения кп и жесткости скоростных характеристик Уь- по выражениям:

Кп ю -

(2)

-С. С - г (3)

г$е <Х - крутизна магнитной характернее и С } (-л ).

При этом, варьируя сопротивление ,. как в класси-

че'_..ой схеме рекуперации со стабилизирующими сопротивлени-' ями, было выбрано его значение ^ак, чтобы при регулировании Я по всем позициям контроллера машиниста было обеспечено заданное значение коэффициента во всем не скорости. Получена система скоростных характеристик 2Г (7) для рекуперирующих масин и и чин-возбудителей (рис. 2), На основе этого рассчитаны результирующие тормозные характеристики эл'ктровоса (рио. 3), удовлетворяющие поставленным требование, в частности по устойчивости, во всем диапазоне скорости и позволяющие повысить тормозни силу маиин-возбудителей 5-6( работающих з режиме реостатного торможения.

На этой оснога рассчитана обобщенная энергетическая характеристика электровоза (рис. 4), т.е. зависимость удельного возврата энергии О-э в тяговую сеть от величи-

РисЛ

-ЗМ-

ни приведенного уклона ¿ при движенг• поезда весом ( '' + С ) по вредному с-уску с постоянной скоростью . Этот расчет выполнен но формуле :

о-) ~ , , -

¡.у

где установившуюся е.. ^рость ъ^. определяли с учетом основного .опротивленпя движению &>о из уравнения движения поезда на вредном спуске

¿и1})* (&'("*)) ' - ('рг-а)С, (4а)

для у -й позиции регулирования электровоза, т.е. д..я заданного значения резистора • в схеме по рис. I. При этом взаимосвязь тормозной силы, тока рекуперации и скорости определяется по системо характеристик ( У'1 ) на рис. 2 и 3 для соотв^ствуюи.ей позиции у и числа параллельных ветвей р .

Характеристика й} ( ¿/ ¿у ) } эбна в эксплуатационной практике для расчота н^амы возврата зЛектрозкзргки в тяговую сеть на конкретном тяговом плече с вредными спусками.

Главя .5 сг^еркит анализ переходных процессов в усовершенствованной системе рекуперативного, торможения с использованием части тяговых машин в качества возбудителей. •

Эта задача решена на основе анализа системы обыкновенных дифференциальных уравнений:

-Д * Ьс) V * -с 6 - / ¿/с

- С, - ц Ас * с <?>>'),

¿-г. 4

и5)

¿к м

ci.il

ах

■'¿•МсЪ,]* ^ (¿¿-¿у).) где ток возбуждения ¿^ ' , намагничивающий ток бл* и эквивалентный вихревой ток 1-зихр определяют по формула :

Г,*76 4 Щ <■ 4 6/

- 4,69/с &„) * Л <■> Л

V - ^

Л* * 5,3 (С 0,28 (С<-Р)г+ 0,009 (С

- о,си/4 (сФ)* ' С, сооо</ /

(с<Р < -34, <Г ¿-и/«А* />" Л, , - ^ * (с ; {с<Р ? ¿4,6 ;} <//<.«),

или 6/,

б. - 5• 9ч. ( Р - число пар полюсов). ' бр 6А а4

Эта система уравне1 ': состояния для нормальных и аварийных переходных процессов составлена с учетом нели-нейностей и вихроЕых токов в магнитных системах тяговых машин по методу д.т.н: &ица М.З.- и с использованием аппроксимации характеристик намагничивания ¿^ ■ ( с Ф ) полиномом 5-го порядка. Решение ее на ЭШ целесообразно на базе алгоритма Рунге-Кутта 4-ги порядка для задачи Ноши при разных условиях коммутаций системы рекуперации.

ci",

39

25

20

IS

sy/xm

t. с

•1,2 4

Pue. 5

На рис. £ фиведен пример г зорийного переходного процесса при внешнем коротком замыкании. По результатам расчетов нормальных и аварийных переходных процессов подобраны значения параметров систем рекуперации и предложена схема защиты, где использованы быстродействие контакторы индуктивные шунты, линейный контактор. Они включены в схеме по рис. I аналогично типо.вой схеме защиты с ускоренным размагничиванием. Особенность защиты в предложение!' системе заключается в сохранении тормозного режима машин-возбудитс-лей при отключении рекуперирующих малин.

ьаш:чену»_

I. Рекомендовано оборудовать как вноеь выпускаемые, так и эксплуатируемые электровозы железньгх дорог КЩ3 системами рекуперативного торможения, что поеысит безопасность вождения поездов на вредных спусках, подняв пр;. этом скорость движения на 10-15 км/ч и обеспечив снижение расхода электроэнергии на 15-16%. Для вых электровозов целесообразна рекуперация с независимым возбуждением тягоеых машин при ь^тании их ебм-ток возбуждения от уни$и"ированного низковольтного источника, - преобразователя напряжения контактной сети, который питает обмотки возбуждения, вспомогательные машины и цепи управления электровоза. Формирование тормозных характеристик электровоза при рекуперации^-, распределение нагрузок по параллельным цепям рекуперирующих машин, а тякк-з необходимое качество переходных процессов достигаются при этом средствами авторегулир'ования -с

наложением на систему обратных связей по регулируем--м величинам (ток рекуперр'.'ии, скорость), возмущениям (напр я же -ние в тяговой сети) и по ограничительным параметрам (коэффициент сцепления, степень ослабления поля и др.)-

Модернизацию эксплуатируемого парка электровсов •■ целесообразно проводить ка базе схемы рекуперативного торможения, требувсей минимальных затрат на дополнительное электрооборудование. Этому критерию удовлетворяет система рекуперэпии с использованием одной-двух тяговых машин в качестве возбудителей, причем эт машины реализуют режим реостатного торможения, а остальные машины - режим рекуперации. Для 6-ос"ого электровоза возможны 3 групп' овки рекуперирующих машин; практически следует ограничиваться двумя группировками с последовательным соединением 2-х и 4-х машин.

3. Недостатки известных систем рекуперации, когда часть тяговых машин работает'возбудителями, связаны с неблагоприятным положением тормоз: :х характеристик рекуперирующих машин в зоне высоких скоростей< где возможна потеря механической устойчивости, а также с малой тормозной эффективностью машин-возбудителей и с плохим распределением нагрузок по параллельным цепям рекуперирующих машин. Наиболее совершенной из известных систем рекуперации с тяговыми машинами - возбудителями является схема И.Н.Ичяхто-Б.В.Забродина, но и сЛ свойственны указанные выше недостатки. Для их устранения и улучшения тормозных характеристик предложен« наложить отрицательную обратную связь по скорости, изменив схему подключена' дополнительных резис-

торов для прот^ЕОкомпаундироБания рекуперирующих мащин.

4. Разработан метод расчета характеристик неоднородной электромашиной системы рекуперации, когда часть мании работает возбудителями при нагрузке на реостат и обмотки возбуждения, а часть -.генератора;.:',! на тяговуа сеть. Этот метод базируется н решении системы нелинейных алгебраических уравнений, составленных по методу контурных токов, при аппроксимации магнитных характеристик полиномом 5-го порядка с определением его коэффициентов по методу наименьших квадратов. Решение отей системы на ЭВ.\1 ргализова-ио численным методом простой итерации или методом Ньютона, сходимость которых обеспечена благодаря ..¡онотонному характеру нелинейных функций з системе.

5. Анализ нормальных гереходних процессов при п.хче-. нии рекуперации и при скачках нгпряжения тягоеой сети, а такхе аварийных переходных пропессов при ьнь—них и внутренних коротких замыканиях выполнен гг^ж учете нолинейнг ти и вихревых токов в магнитной системе тяговой малины по методу д.т.и. !.;.3.дица. Расчеты на с'Е4 выполнены по алгоритму Рунге-Кутта для задачи Кози. По результатам расчетов нормальных пе- входных процессов подобраны значения параметров системы, обеспечивающих соблюдение ограничений по экстремальным значениям тека и по перерегулировании. По результатам расчета аварийных, переходных процессов показано, что запита тяговых масин а рекуперативной схеме должна б] ь обеспечена применением индуктигных щунтов, установкой' быстродействующих контакторов в цепях рекуперирующих мащин и машин-возбудителей, ускоренным размагничиванием рекуперирующих мащин с помощью тиристоров, а также отключение;.;

лиьейного контактора.

ó. Выполненные исследования обеспечивают повышение технико-экономической эффективности электровозов железных дорог КДЦР путем оборудования их простой системой рекуперативного торможения без специального возбудителя и б1"? вислого электропитания.-

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. К и:.'. Сен Нам. Рекуперативное т^чможенио электровоза постоянного тока при использовании тяговых машин в качестве возбудителей // Состояние и перспектива развития электровозостроения в стране: Тез.док. УП Все-соз.научно-техн.конф. 1991.- С. 20-21.

2. Ким Сен Нам. Рекуперативное торможение электровозов постоянного тока при использовании тягового двигателя в качестве возбудителя / Ш.- Ii., 1991.- 26 с. Деп. в ЦНШ'оИ 1ЛС 01.07.91, Ь4',с1.

3. Ким Сен Нам. Усс .зршенствование системы рекуиератив- ' ного торможения при использовании тяговых двигателей

в качестве возбудителей / Ш1ИГ.- 1991. - б с. Деп. в ЦНИИ^И 17.09.91, Я 5506.

4. Феоктистов В.П., Нуверин Ю.Ю., Ким Сен Нам. Рекуперативное торможение электровозов постоянного тока / ШИТ.г и., 1991.- i 8 с. Деп. в ЦНШШ ШС 01.07.91, Р 5446.

5. Ким Сен На... Расчет предельных режимов использования тяговых электромашин электрот .викного состава по ус-ювиям коммутации на коллекторе / -.liiilX- — Ы., 1991,-

5 о. Деп. в ЩКИТЭИ ШС- 13.12.91, »5721.

6. Киа Сен Нам. Рекуперативное торможение электровоза постоянного гока с использованием тяговой электрома-и'.ка! в качество возбудителя //Сб.науч.тр./ ИМ.- 1991. Вып. 635. - С. 36-39.

7. Устройство для рекуперативного тг-шожэния электровоза постоянного тока. Заявка на изобретение № 4939254/11 (СССР)/ Антюхкн В.¡¡¡., Ким Сен Нам, Феоктистов В.П.,

■' Ч/вецин Ю.Ю. Заявл. 27.05.91, 15Ш3 ЁбОС-15/04.

¿¿¿и*. Ш СЕН НАМ 4

С/ЮТШ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОШШ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ П0СТ0ШН0Г0 ТОКА ¡ЖЕЗКЫХ ДОРОГ КОРЕЙСКОЙ НАРОДНО-ДЕМОКРАТИЧЕСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

05.22.09 - Электрификация железнодорожного транспорта

Сдано в набор Qb.oz.si Подписано к печати 05. ог.оа Формат бумаги 60x90 1/16

Объем -1,315 Заказ 35-У Тираж - 100 экз.

Типография МИПГ, ^оскв;., 5)1475, ул. Образцова, 15