автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта

На правах рукописи

МУФТИЕВ Салават Разитович

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы п системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ИЮН 2014

Уфа - 2014 005549818

005549818

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимская государственная академия экономики и сервиса» на кафедре физики

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Шапиро Семён Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Каяшев Александр Игнатьевич зав. кафедрой автоматизированных технологических и информационных систем филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Стерлитамаке; кандидат технических наук, доцент Шабанов Виталий Алексеевич зав. кафедрой электротехники и электрооборудования предприятий ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Ведущая организация: ЗАО НПО «Параллель», г. Уфа

Защита диссертации состоится 24 июня 2014 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.02 на базе ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу:

450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» и на сайте ЬИр;/А\гт\'.щаЫ.ас.ги/.

Автореферат разослан 15 мая 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

А.В. Месропян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации предусматривает создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности, решение проблем снижения потерь при преобразовании, распределении и потреблении электроэнергии. Энергосбережение становится стратегическим направлением приоритетного развития многих областей промышленности и секторов экономики, в том числе и транспортной индустрии.

Одним из основных факторов, существенно ухудшающих качество работы электротранспорта, является колебание напряжения в контактных сетях в широких пределах. В первую очередь, существенные колебания напряжения объясняются очень большим потреблением подвижного состава тягового тока.

Энергопотребление трамваев и троллейбусов крайне неравномерно: периоды характеризующиеся потреблением мощности до 200 кВА и длительностью 10-20 секунд, сменяются движением накатом и торможением, в течении которых потребление почти отсутствует. Тем не менее, требуемая присоединительная мощность для обеспечения движения одного трамвая/троллейбуса составляет приблизительно 200 кВА, т.е. по его максимальной мощности.

Статистика производства ремонтных работ в троллейбусном депо № 1 муниципального управления электротранспорта города Уфы показывает, что за 2011 год был произведен ремонт единиц силового оборудования троллейбусов приблизительно равный количеству подвижного состава, т.е., ежегодно каждый троллейбус проходит капитальный ремонт электрооборудования.

Стабилизация тягового напряжения может существенно снизить количество оборудования подвижного состава, которому требуется капитальный или текущий ремонт, вследствии значительного колебания напряжения контактной сети (400^750 В).

При повышении напряжения выше номинального происходят пробои плавких предохранителей, пробои изоляции силовых кабелей, отключение автоматов защиты цепей, возможны утечки тока на кузов подвижного состава, что представляет угрозу для жизни пассажиров, входящих и выходящих из транспортного средства пассажиров. При понижении напряжения ниже номинального растёт ток в силовых цепях, происходит перегрев силового электрооборудования, кабелей, силовых контактов, прожоги изоляции кабелей, электрооборудования, искрение щёток тяговых и вспомогательных электродвигателей, прожоги коллекторов, последующий выход из строя,

быстрый износ метагаографитовых вставок токосъёмников из-за искрения, прожоги и обрыв проводов контактной сети, возгорания электротранспортного средства.

Все вышеперечисленные последствия нестабильности тягового напряжения приводят к простоям подвижного состава, финансовым убыткам предприятий горэлектротранспорта, значительным материальным затратам на ремонт и восстановление узлов электрооборудования машинного парка. Для решения проблем энергоснабжения тяговой сети электротранспорта предлагается к рассмотрению автотрансформаторно-полупроводниковая система стабилизации тягового напряжения городского электрического транспорта. Эта разработка по технологическим и инженерным критериям значительно превосходит традиционные решения в виде дополнительных подстанций, т.к. не требует капстроительства, позволяет не превышать установленный уровень мощности и экономить электроэнергию, существенно увеличить межремонтный пробег подвижного состава, сократить затраты на капитальный и текущий ремонт, уменьшить количество обслуживающего персонала и, как следствие, фонда заработной платы.

Степень разработанности темы исследования. Известные работы, опубликованные на различных этапах развития научно-технического прогресса, в разных научных школах, не содержат комплексного подхода в исследованиях по применению систем стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта (ГЭТ). Рассмотренный в диссертационной работе комплекс задач сформулирован в контексте проблемы внедрения системы стабилизации напряжения в системе электрического транспорта с учетом случайных факторов, оказывающих существенное влияние на процесс функционирования электроподвижного состава.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является создание автотрансформаторно-полупроводниковой системы стабилизации напряжения (ССН) городского электрического транспорта для уменьшения потерь энергии и повышения надёжности работы электроподвижного состава.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) разработать требования к ССН для тяговой подстанции (ТП) постоянного тока ГЭТ и выполнить анализ существующих методов стабилизации и сформулировать требования, предъявляемые к ним системой городского электрического транспорта (ГЭТ);

2) разработать систему стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта;

3) разработать математическую модель ССН и исследовать работу ССН в статическом и динамическом режимах;

4) разработать методику расчёта ССН;

5) исследовать технико-экономическую эффективность применения ССН в тяговых сетях горэлектротранспорта с расчётом экономии электроэнергии на единицу подвижного состава.

Научная новизна. В диссертащш впервые решен ряд теоретических задач, посвященных проблемам использования системы стабилизации тягового напряжения (ССТН) в системе электроснабжения городского электрического транспорта.

1. Впервые предложен и осуществлён метод стабилизации постоянного напряжения, основанный на широтно-импульсном управлении транзисторами мостового инвертора с последующей трансформацией напряжения автотрансформатором и его выпрямлении неуправляемым диодным мостом. Этот метод упрощает управление стабилизатором по сравнению со схемой с управляемым выпрямителем, снижает расчётную мощность трансформаторного оборудования.

2. Разработан алгоритм расчёта устойчивости системы стабилизации напряжения, питающей сериесные электродвигатели постоянного тока.

3. Разработана математическая модель комплекса стабилизатор напряжения городского электротранспорта — тяговые электродвигатели в системе ОгСАЭ 9.2, исследованы особенности стационарных режимов и переходных процессов в системе тягового электроснабжения (СТЭ) при использовании ССТН.

4. Разработана методика проектирования системы стабилизации напряжения для типовой тяговой подстанции, которая, в частности основана на методике расчёта силового автотрансформатора мощностью порядка мегаваггов, питаемого напряжением типа «меандр».

5. Впервые предложен метод стабилизации среднего напряжения участка контактной сети, основанный на многопостовых замерах разности потенциалов в нескольких его реперных точках.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны инженерные методы расчетов, позволяющие проектировать эффективные по энергетическим показателям системы стабилизации тягового напряжения (ССТН). Создана физическая модель электротранспортного средства и проведены экспериментальные исследования процессов, протекающих в режимах разгона электротранспортного средства.

Практическая ценность разработанной системы стабилизации заключается в решении актуальной комплексной задачи использования системы стабилизации напряжения, направленной на повышение надёжности и качества электроснабжения городского электротранспорта. Это подтверждается вновь разработанной методикой технико-экономической оценки

эффективности применения ССТН в тяговых сетях постоянного тока городского электрического транспорта.

Существенное повышение качества электроэнергии, при снижении нестабильности напряжения контактной сети 600+25%-30% до 600 ± 3%, позволит снизить энергопотребление в системе городского электрического транспорта (ГЭТ), благодаря чему только в муниципальном управлении электротранспорта города Уфы, по предварительным расчётам, предполагается сэкономить около 17 млн рублей в год. Статистика предприятия показывает, что количество силового электрооборудования подвижного состава, вышедших из строя по причине нестабильности напряжения тяговой сети, составляет 30-40% из всего количества ремонтов в год. Другими словами, стабилизация тягового напряжения может позволить сократить расходы на их ремонт примерно на 2 млн рублей в год, что подтверждается справкой из предприятия электротранспорта. Этот экономический эффект достигается снижением отказов в работе контактной сети, увеличением межремонтных пробегов подвижного состава, уменьшением случаев возгорания подвижного состава, уменьшением расходов и времени на ремонт подвижного состава. В настоящее время затраты на ремонт контактной сети составляют около 1,7 млн рублей в год — есть перспективы для уменьшения количества ремонтного персонала и, соответственно, экономии фонда заработной платы.

Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования, которые базируются на использовании современных методов компьютерного моделирования на базе пакетов прикладных программ ОгСАО 9.2. В работе также использованы методы математического моделирования, методологические принципы исследования операций и математические методы обработки научных результатов.

Положения, выносимые на защиту

1. Обоснование, целесообразность, необходимость создания и внедрения системы стабилизации напряжения (ССН) тяговых подстанций городского электрического транспорта для снижения нестабильности напряжения контактной сети 600+25%-30% до 600±3%.

2. Полупроводниково-автотрансформаторная высокочастотная система стабилизации тягового напряжения, основанной ШИМ-инвертировании напряжения тяговой сети на частоте до 5 кГц.

3. Компьютерная графическая и программная модель системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта в системе OrCAD 9.2.

4. Результаты экспериментальных исследований энергопотребления транспортной системы и определение передаточных функций исполнительного органа системы стабилизации тягового напряжения.

5. Методика проектирования системы стабилизации напряжения, включающая методику проектирования импульсного высокочастотного силового автотрансформатора напряжением типа «меандр» и методику поиска оптимальной рабочей частоты ССН.

Степень достоверности н апробация результатов. Результаты выполненных НИР в рамках работ, направленных на исследование и развитие энергосберегающих технологий, позволили создать систему мониторинга потребления электроэнергии в различных подсистемах электрического транспорта. НИР нашли практическое применение в Муниципальном управленгш электротранспорта (МУЭТ) г. Уфы. Материалы диссертации, касающиеся анализа и расчета и моделирования электромагнитных процессов в тяговых сетях используются для оптимизации работы тяговых подстанций.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодёжи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» 2-3 ноября 2010 года в г. Уфе; Всероссийской выставке «Энергосбережение и энергоэффективность» в городском центре энергосбережения и внедрения энергоэффективных технологий в г. Уфе, 11-15 октября 2010 года. В 2011 году опубликована статья «Voltage stabilization system in traction substation of urban electric transport» в № 2(82) журнала «Russian Electrical Ingineering».

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в числе которых: 5 статей, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в зарубежном научном журнале, получено одно свидетельство на программу моделирования ССТН в системе OrCAD 9.2.

Методика выполнения исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования, которые базируются на использовании современных методов компьютерного моделирования на базе пакетов прикладных программ OrCAD 9.2. В работе также использованы методы математического моделирования, методологические принципы исследования операций и математические методы обработки научных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страниц основного текста, содержит список библиографических источников из 167 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанной с большими неэффективными энергозатратами подвижного состава городского электротранспорта на тягу, низкой надёжностью силового электрооборудования трамваев и троллейбусов вследствии нестабильности напряжения контактной сети, формулируются цели и задачи исследования. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости, новизне и практической ценности результатов исследований, реализации и апробации работы.

В первой главе электрический транспорт рассмотрен как сложный электротехнический комплекс, в котором выделены две основные подсистемы: электроснабжение и электроподвижной состав. Представлены существующие методы стабилизации тягового напряжения, проведен анализ методов стабилизации, их недостатки. Приводится описание, устройства, принцип действия и режимы работы сериесных двигателей в нагрузке. Рассмотрены современные полупроводниковые системы стабилизации напряжения, силовые полупроводниковые приборы и блоки из них, устройства повышения частоты, трансформаторно-полупроводниковые системы стабилизации напряжения. Представлены современные высокочастотные трансформаторы и автотрансформаторы, особенности их конструктивного исполнения и проектирования. Показано значительное недоиспользование технических возможностей и низкая надёжность подвижного состава, вследствии широкого диапазона колебания тягового напряжения, что снижает эффективность транспортной системы в целом. Результатом проведённого анализа явилось формирование цели и задач исследования.

Во второй главе представлены результаты разработки стабилизатора тягового напряжения, рассмотрены силовая часть системы стабилизации, режимы работы, характеристики.

От промышленной сети в ячейку ввода тяговой подстанции приходит напряжение 6 или 10 кВ (далее 10 кВ). В настоящее время через понижающий трансформатор, выпрямительный блок, сборные шины, фидерные автоматы постоянное напряжение подаётся сразу в контактную сеть электротранспорта (рисунок 1, а).

б

Рисунок 1 - Структурные схемы тяговых подстанций: а - существующие; б - с системой стабилизации напряжения 600 В

В разработанном модуле стабилизации напряжения для тяговых подстанций, используется звено высокой частоты, как наиболее экономичный метод преобразования. Модуль стабилизации напряжения состоит из инвертора, который преобразует постоянное напряжение 600±150 В в переменное с частотой 5 кГц, автотрансформатора, выпрямителя на ГСВТ трашисторах, датчика напряжения и системы управления. Структурная схема тяговой подстанции с системой стабилизации приведена на рисунке 1, б.

Структура силовой части системы стабилизации напряжения с системой управления приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема системы стабилизации напряжения

Автономный инвертор получает питание от выпрямительного агрегата тяговой подстанции (на схеме обозначено 1^), преобразует постоянное напряжение в переменное с частотой до 5 кГц. Нагрузкой для инвертора является автотрансформатор, вторичная обмотка которого служит для получения различных по уровню напряжений на выходе.

Датчик напряжения, подключённый к сборным шинам с номинальным напряжением «+600 В» тяговой подстанщш измеряет уровень напряжения в них, формирует сигнал для системы управления.

В момент времени от 0 до ^ сигнал с системы управления подаётся на пшротно-импульспый модулятор ШИМ, который открывает транзисторы 21, 74 и на первичную обмотку автотрансформатора подастся напряжение Уг.

В момент времени от до £2> напряжение на выходе инвертора или на первичной обмотке автотрансформатора (клеммы 1 - 4) щ меняет свой знак на противоположный, так как открываются транзисторы 22, 23, а транзисторы Ъ\, ТА закрываются. Таким образом, постоянное напряжение 600 В преобразуется в переменное напряжение с частотой 5 кГц па первичной обмотке автотрансформатора. Датчик напряжения и система управления формируют различные по длительности сигналы управления ЮВТ модулями инвертора, в зависимости от уровня напряжения на сборных шинах, питающих контактную сеть.

Выводы вторичной обмотки автотрансформатора подключены к однофазному мостовому выпрямителю, который подключается через фидерные автоматические выключатели к контактной сети. Блок управления выполняет несколько функций: управляет работой транзисторных ключей инвертора, сравнивает напряжение в контактной сети с эталонным значением. Инвертор, по сути, является и ШИМ-регулятором тягового напряжения.

Мг, М2, Мп - тяговые двигатели электротранспорта на участке контактной сети.

Мл М М„

Рисунок 3 - Силовая часть системы стабилизации

Система управления осуществляет измерение напряжения на нагрузке при помощи датчика напряжения, который постоянно подключен к кабелю, питающему участок контактной сети. Колебания напряжения на контактной сети приводят к пропорциональному изменению сигнала на выходе датчика напряжения. Далее, сигнал с датчика поступает на компаратор системы управления, где сигнал сравнивается с опорным напряжением. Если напряжение в контактной сети выше опорного, система управления формирует

сигнал управления транзисторными модулями пропорционально сигналу датчика напряжения.

Разность сигналов с датчика и опорного напряжения подаётся на вход ШИМ регулятора, реализованного на операционном усилителе. Сигнал с выхода компаратора является опорным сигналом для ОУ (в составе ШИМ) с положительной обратной связью, на другой вход которого подаётся сигнал с генератора прямоугольных импульсов. Таким образом, колебания напряжения на контактной сети приводят к изменению длительности импульсов на выходе ШИМ регулятора, т.е. сигналов управления ЮВТ модулей. Изменения длительности импульсов на выходе инвертора, при постоянной частоте работы инвертора дают регулирование действующего значения напряжения на выходе системы стабилизации напряжения. На рисунке 4 приведены графики сигналов на выходе инвертора.

При повышении напряжения на участке контактной сети, на транзисторы 21-24 подаётся напряжение (/„ с меньшей длительностью импульса, чем в предыдущий момент времени.

г «Ч а ' ..; 1

.Г.'.':'.'. 4'.'.'.^'..р:-(

а

Рисунок 4 - Напряжение и2(Х) инвертора: а - повышенное напряжение на контактной сети; б — пониженное напряжение на контактной сети В другом случае, если в контактной сети напряжение ниже нормы, тогда блок управления подаёт напряжение £/.,, с большей длительностью на

транзисторы Ъ\ - ТА. Таким образом, осуществляется стабилизация напряжения.

Главной функцией автотрансформатора является повышение напряжения инвертора на 30 - 40%. Автотрансформатор работает на частоте до 5 кГц. При таких частотах невозможно использование обычных стальных сердечников из за их больших потерь на вихревые токи. Решением проблемы стало применение ферритового сердечника или анизотропной электротехнической стали, толщиной 0,08 мм.

Обмотки автотрансформатора выполнены нз медных трубок соответствующего сечения с жидкостным охлаждением.

В зависимости от мощности, обмотку автотрансформатора возможно выполнить из провода литцендрат. В таком проводе максимально уменьшаются потери из-за "скин-эффекта".

В третьей главе рассмотрены динамические процессы в системе стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электрического транспорта, динамика процессов в тяговых электродвигателях трамвая и троллейбуса. Приводится математическая модель в системе ОгСАБ 9.2 устройства стабилизации в целом. Показаны результаты моделирования и получены основные характеристики работы всей системы и отдельных узлов; нагрузочные характеристики, при изменении в широком диапазоне характера нагрузки; получены регулировочные характеристики. Приведены временные диаграммы работы модели системы в режиме широтно-импульсной стабилизации. Проведена оценка изменения энергопотребления в системе городского электрического транспорта с учетом внедрения системы стабилизации, показаны основные выводы и результаты.

Как любую замкнутую систему автоматического регулирования, ССН необходимо исследовать па устойчивость. На рисунке 5 дана операторная (в смысле преобразования Лапласа) структурная схема системы стабилизации напряжения тяговой подстанции, а на рисунке 6 приведена модель системы в пакете ОгСАБ 9.2.

На этой схеме:

Шссн (р) — передаточная функция системы стабилизации напряжения, включающей в себя датчик напряжения, блок управления и автотрансформаторно-полупроводниковый преобразователь, включающий в себя инвертор, автотрансформатор и неуправляемый выпрямитель;

И^тэдф) — передаточная функция тяговых электродвигателей.

Датчик Система управления —► АПП ТЭД

1

Рисунок 5 — Структурная схема системы стабилизации напряжения тяговых подстанций (а) и её операторный эквивалент (б): АПП — автотрапсформаторно-полупроводшгеовый преобразователь; ТЭД — тяговый электродвигатель

Следует отметить, что инерция системы стабилизации напряжения на несколько порядков ниже, чем инерция ТЭД. Поэтому сразу принимаем

ЮсспФ) = ку ссн,

т.е., как некоторый, не зависящий от времени постоянный коэффициент усиления.

Таким образом, устой'гавость системы стабилизации напряжения может быть определена в результате анализа соотношения

куссн ' И'тэд(Р) = !■ (О

Формула (1) показывает, что динамика процессов ССН определяется передаточной функцией Далее шщекс «ТЭД» опущен, так как другой

передаточной функции в нашей системе нет.

Передаточная функция тягового двигателя равна

где ку - коэффициент передачи, определяемый

120^,60^11 ; (3) Тг и Т2 — постоянные времени, равные _УЦ/120

1 1 -2 к2 ¡2 » ^ ЧпК$ 'о

_Я+гм60>Сф<оо

/2 ^60 ' ^

ВУУ27-100 133

VI =0 У2 = 50 ТО = 1и8 ТЯ » езда ТР = 1и& РЛ/ = 100и5 РЕР = 200из 1к

VI =0 V2 = 50 ТО ■ ЮОиз ТН = 98и5 1^3 ТС = 1115 1к РУУ = 130иЗ РЕК = 200И!

VIЗ

VI = О V2 = 50 ТО = 1ия ТН - 98из Я4 "П1 = 1ия 1к PW » 100и8 РЕЧ = 200и!

Рисунок 6 - Модель системы стабилизации напряжения тяговых подстанций в пакете ОгСАБ 9.2

В четвертой главе разработаны методики основ синтеза и проектирования системы стабилизации, выбора оптимальной частоты работы схемы инвертирова1шя входного напряжения. Выполнено проектирование импульсного автотрансформатора с ферритовым сердечником, приведены основные формулы проектирования. Произведён выбор полупроводниковых элементов и модулей системы, выбор элементов блока управления. Выполнен анализ различных режимов работы и электромагнитных процессов, протекающих в силовых элементах, расчёты теплового режима работы ГСВТ модулей, предложена конструкция системы с жидкостным охлаждением. Приведены заводские характеристики выбранных деталей, режимы работы. Определены массогабаритные параметры устройства, показаны основные выводы и результаты.

В конце четвёртой главы приведены технико-экономический анализ эффекта от внедрения системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электрического транспорта, список использованной литературы, адресов сайтов Интернета. Основные результаты работы приведены в конце диссертации.

В приложениях приведены программа моделирования в системе ОгСАБ 9.2, расчёт устройства для тяговой подстанции № 36 г. службы энергохозяйства Муниципального управления электротранспорта городского округа г. Уфа, модель системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны требования к системе стабилизации напряжения для тяговой подстанции городского электротранспорта, снижающей колебание этого напряжения с +25%, -30% до ±5%, и выполнен анализ существующих методов стабилизации, сформулированы требования, предъявляемые к ним системой городского электрического транспорта.

В результате установлено, что наиболее экономически целесообразной является двухуровневая система, состоящая из полупроводникового преобразователя частоты (первый уровень) и высокочастотного автотрансформатора (второй уровень). Применительно к тяговой сети, разработка такой системы предполагает решение целого ряда научно-исследовательских задач — выбор оптимальной частоты инвертирования, разработка методики проектирования

автотрансформатора, питаемого напряжением типа меандр, регулируемой скважностью, анализ динамики процесса регулирования, правильный

выбор метода измерения тягового напряжения. При этом новая система стабилизации должна быть компактной, не требовать изменений схемы тяговых подстанций и капитальпых затрат на установку.

2. Разработан полупроводниково-автотрансформаторный стабилизатор напряжения контактной сети городского электротранспорта, снижающий колебание этого напряжения с +25%, -30% до +5%. Предложена новая система стабилизации, основанная на широтно-импульсном управлении транзисторами мостового инвертора с последующей трансформацией напряжения автотрансформатором и его выпрямлен™ неуправляемым диодным мостом.

Разработанная установка осуществляет стабилизацию среднего значения напряжения тяговой сети, основанную на тестировании разности потенциалов в реперных точках контактной сети. При этом дан аналитический метод выбора оптимальной частоты инвертора, основанный на использовании современных силовых транзисторных модулей ЮВТ - серии. Система управления этим ШИМ-инвертором основана на использовании драйверов серии БЕМУКТЮМ. В отличии от наиболее часто применяемых в подобных системах стабилизации трёхуровневых комплексов, в данном стабилизаторе процесс инвертирования мостового преобразователя совмещён с широтно-импульсным управлением транзисторами. Благодаря этому отпала необходимость в третьем уровне — управляемом выпрямительном мосте и существенно снижена проектная мощность автотрансформатора. Использование оригинальной системы измерения напряжения контактной сети в реперных точках позволила повысить степень надёжности работы сериесных двигателей подвижного состава.

3. Разработана компьютерная модель системы стабилизации напряжения городского электротранспорта в системе ОгСАБ 9.2 (свидетельство № 2011612755, зарегистрированное в Госреестре программ для ЭВМ 06.04.2011). Полученные с помощью этой модели основные статические и динамические характеристики позволили обосновать устойчивую работу тяговой сети в различных режимах работы электротранспорта. Эта модель в дальнейшем может быть использована при проектировании новых схем тяговой подстанции.

4. Проведён анализ устойчивости стабилизатора с учётом динамики процессов управления скоростями вращения тяговых электродвигателей, основанный на критерии Раута-Гурвица. В результате установлено, что при заданном диапазоне стабилизации разработанный стабилизатор обладает динамической устойчивостью без использования элементов гибкой обратной связи.

5. Разработана методика проектирования полупроводннково-автотрансформаторного стабилизатора с учётом последних достижений в области силовой полупроводниковой техники и ферритовых материалов, используемых в высокочастотных трансформаторах. Методика основана на определетш оптимальной частоты инвертирования, выборе конструктивных параметров магнитопровода трансформатора при питании его напряжением типа меандр с регулируемой скважностью и расчёте выходного конденсатора сглаживания пульсаций на выходе стабилизатора. Представлен расчёт стабилизатора мощностью 1,2 МВт с частотой инвертирования 5 кГц, КПД которого в номинальном режиме составляет 98,5%. Обоснована экономическая эффективность данного стабилизатора по сравнению с другими известными способами стабилизации. Габаритные размеры разработанного стабилизатора в 1012 раз меньше существующих аналогов. Одним из основных достоинств стабилизатора является то, что при его установке не требуется капитальное строительство. Он вполне умещается на существующих площадях тяговых подстанций.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.

Система стабилизации напряжения тяговых подстанций весьма перспективна с точки зрения дальнейшей её разработки. Современные технологии могут потребовать дальнейшую модернизацию блока управления ССН с использованием современных проводных и беспроводных каналов связи, микропроцессоров.

Для контроля характеристик тяговой сети по всему городу, отдельные ССН с микропроцессорным блоком управления могут быть объединены в сеть с единым центром управления. Это позволит вести мониторинг параметров контактной сети, разрабатывать различные алгоритмы для управления этой сетью, чтобы снизить потребление электроэнергии на тягу, увеличить энергоэффективность подвижного состава электротранспорта.

Сппсок работ, опубликованных по теме диссертации В изданиях из перечня ВАК

1. Муфтиев С. Р., Шапиро С. В. Разработка системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта / С. Р. Муфтиев, С. В. Шапиро // Вестник УГАТУ - 20Ю.-№ 5(40), - С. 79 -85.

2. Муфтиев С. Р., Шапиро С. В Система стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта / С. Р. Муфтиев,

С. В. Шапиро / М.: Электротехника. - 2010. - № 3. - С. 40 - 46.

3. Муфтиев С. Р., Шапиро С. В Электронная система мониторинга и энергосбережения в тяговых подстанциях городского электротранспорта

/ С. Р. Муфтиев, С. В. Шапиро // М.: «Главный энергетик». - 2010. -

№7.-С. 75-81.

4. Муфтиев С. Р., Шапиро С. В. Особенности проектирования импульсного автотрансформатора системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта / С. Р. Муфтиев, С. В. Шапиро // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - Уфа: УГУЭС . - 2013. - № 4. - С. 66 - 68.

5. Муфтиев С.Р., Шапиро С. В. Моделирование системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта в среде OrCAD 9.2 / С. Р. Муфтиев, С. В. Шапиро // Электротехнические и информационные комплексы и системы. — Уфа: УГУЭС. — 2013. — № 4. — С. 140 - 144.

Свидетельство на программу

6. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2011612755 Моделирование системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта / С. Р. Муфтиев, С. В. Шапиро. Зарег. 6.04.2011 в Реестре программ для ЭВМ.

В других изданиях

7. Муфтиев С. Р. Электронная система мониторинга и стабилизации напряжения в тяговых подстанциях городского электротранспорта. Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и

энергосбережения: сб. тр. / С. Р. Муфтиев. — Уфа: УГАТУ, — 2010. —

326 с.

8. Муфтиев С. Р. Электронная система мониторинга и энергосбережения в тяговых подстанциях городского электротранспорта / С. Р. Муфтиев, Шапиро С. В. // М.: Электроцех. - 2011. - № 3. - С. 55 - 58.

9. Муфтиев С. Р., Шапиро С. В. Система стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта [Текст] / С. Р.

Муфтиев, Шапиро С. В. // Russian Electrical Engineering, 2011. — Ч. 82, № 2. - С. 98 - 103.

10. Энергосбережение в муниципальном унитарном предприятии управления электротранспорта городского округа город Уфа РБ на 2010 - 2014 годы и на перспективу до 2020 года. / Материалы выставки

«Энергетика и энергосбережение». — Уфа: МУЭТ, — 2010. — 39 с.

Диссертант

С. Р. Муфтиев

МУФТИЕВ Салават Разитович

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Специальность: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 24.04.2014. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16 Гарнитура «Тайме». Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ

Типография ГБОУ ВПО «Башгосмедуниверситет Росздрава»

Адрес типографии: 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА»

(УГУЭС)

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201460236

МУФТИЕВ Салават Разитович

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шапиро С.В.

Уфа-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................5

Глава 1. Проблема стабилизации тягового напряжения городского электротранспорта и существующие методы стабилизации

1.1. Проблема стабилизации тягового напряжения городского электротранспорта...........................................................................20

1.2. Особенности функционирования сериесного двигателя постоянного тока в тяговой сети городского электротранспорта...........................................22

1.3. Существующие методы стабилизации тягового напряжения.....................25

1.3.1. Электромашинные инерционные накопители электроэнергии..................25

1.3.2. Конденсаторные накопители электроэнергии.....................................27

1.3.3. Сверхпроводниковые индуктивные накопители электроэнергии..............27

1.3.4. Аккумуляторные накопители электроэнергии.....................................29

1.3.5. Недостатки существующих методов стабилизации тягового напряжения................................................................................30

1.4. Современные полупроводниковые системы стабилизации

напряжения.....................................................................................30

1.4.1. Современные силовые полупроводниковые приборы и блоки из

них............................................................................................30

1.4.2. Трансформаторно-полупроводниковые системы стабилизации напряжения................................................................................35

1.5. Высокочастотные трансформаторы и автотрансформаторы. Особенности их конструктивного исполнения и проектирования......................................37

Выводы по главе 1.........................................................................39

Глава 2. Полупроводниково-автотрансформаторный метод стабилизации тягового напряжения

2.1. Разработка стабилизатора тягового напряжения..................................41

2.2. Выбор полупроводниковых элементов..............................................47

2.3. Разработка блока управления............................................................51

2.4. Сравнение разработанного в диссертации стабилизатора напряжения с известным вариантом.......................................................................61

Выводы по главе 2.......................................................................66

Глава 3. Динамические процессы в системе стабилизации напряжения контактной сети

3.1. ССН как замкнутая система автоматического регулирования..................67

3.2. Динамика процессов в тяговых электродвигателях...............................68

3.2.1. Передаточная функция исполнительного органа системы стабилизации

тягового напряжения....................................................................70

3.3. Расчёт динамической устойчивости ССН..........................................74

3.4. Компьютерная модель в системе OrCAD всего устройства.......................75

3.4.1. Широтно-импульсная стабилизация...................................................79

3.4.2. Нагрузочные характеристики..........................................................83

3.4.3. Регулировочные характеристики......................................................84

Выводы по главе 3........................................................................85

Глава 4. Основы синтеза и проектирования системы стабилизации тягового напряжения

4.1. Выбор частоты магнитного потока в автотрансформаторе.....................87

4.2. Выбор оптимальной частоты инвертирования.....................................91

4.3. Проектирование автотрансформатора...............................................92

4.4. Выбор элементов блока управления..................................................97

4.5. Выбор оптимальной частоты ССН..................................................112

4.6. Расчёт конденсатора фильтра пульсаций выходного напряжения...........116

4.7. Технико-экономический анализ......................................................117

Основные выводы и результаты.....................................................122

Список литературы.....................................................................125

Приложения.

A. Программа моделирования в системе OrCAD 9.2...............................143

B. Расчёт устройства для тяговой подстанции № 36 г. службы энергохозяйства Муниципального управления электротранспорта городского округа г.

Уфа.........................................................................................163

C. Модель системы стабилизации напряжения тяговых подстанций в пакете OrCAD 9.2...............................................................................169

ВВЕДЕНИЕ Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261 - ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации предусматривает создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности, решение проблем снижения потерь при преобразовании, распределении и потреблении электроэнергии. Энергосбережение становится стратегическим направлением приоритетного развития многих областей промышленности и секторов экономики, в том числе и транспортной индустрии. [1]

В концепции данных документов энергетическая эффективность и энергосбережение определены в качестве одних из главных направлений экономической политики страны, как ее важнейшие стратегические ориентиры. Реализация концепции энергоэффективности и энергосбережения лежат в основе государственной энергетической политики и обеспечиваются механизмами рационального пользования недрами и ростом внутренних рынков. Современная редакция закона предполагает стимулирование инновационных энергосберегающих технологий, внедрение, последующий контроль и управление.

По данным Федеральной службы государственной статистики, существенная доля в структуре пассажирооборота по видам транспорта общего пользования принадлежит городскому электрическому транспорту и составляет 20,4%. [119] Поэтому эффективное и надёжное функционирование транспорта как базовой среды материального производства существенно влияет на темпы и ритмичность социально-экономического развития страны. [117]

Одним из основных факторов, существенно ухудшающих качество работы электротранспорта, является колебание напряжения в контактных сетях в широких пределах. Это целый комплекс вопросов, требующих пересмотра с точки зрения современных подходов к электроснабжению и электроэнергосбережению. В целом, принципиальная схема тяговых подстанций городского электротранспорта не изменялась приблизительно последние пятьдесят лет. [118]

В первую очередь, существенные колебания напряжения объясняются очень большим потреблением подвижного состава тягового тока (при трогании с места пусковой ток одной единицы трамвая Т-3 «Татра» равен 480 ампер). А ведь часто бывает, что несколько единиц подвижного состава электротранспорта одновременно трогаются с места — во время выпуска на линию и возврата в депо, скоплениях электротранспорта при различных дорожно-транспортных происшествиях и т. д. [118]

Ограничения в потреблении тягового тока связаны и конструктивными особенностями самой контактной сети. Специфика токосъема, осуществляемого токоприемником троллейбуса с контактного провода, определяется тем, что токосъем значительного по величине тока ведется при больших скоростях перемещения скользящего контакта, а контактный провод имеет систематические провесы между точками подвеса. Провес провода резко осложняет контакт с ним токоприемника. Токосъем, осуществляемый в таких условиях, сопровождается не только механическим износом контактного провода, но и вредным воздействием на контактный провод электрической дуги, возникающей в момент нарушения контакта. [49] Электрическая дуга в зоне точек подвеса вызывает сильные колебания тягового напряжения, поджог контактного провода, что со временем приводит к его обрыву. Кроме того, электрическая дуга создает радиопомехи.

В связи со значительным прогрессом в производстве силовых полупроводниковых элементов и модулей, стало возможным проектирование и производство мощных преобразователей, способных управлять электрическими

машинами на несколько мегаватт, в частности электроприводом городского электрического транспорта. [136]

Степень разработанности темы исследования. Большинство работ, опубликованных на различных этапах развития технического прогресса, в разных научных школах, не содержат комплексного подхода в исследованиях по применению систем стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта. [103,133] Рассмотренный в этой диссертационной работе комплекс задач был сформулирован в контексте проблемы внедрения системы стабилизации напряжения в системе электрического транспорта с учетом разных случайных факторов, оказывающих существенное влияние на процесс функционирования электротранспорта. [87]

Энергопотребление трамваев и троллейбусов неравномерно: периоды, которые характеризуются потреблением мощности до 180 кВА и длительностью до 15 секунд, сменяются режимом наката и торможения, во время которых потребление очень низкое. Однако, требуемая присоединительная мощность для обеспечения движения одного трамвая или троллейбуса составляет приблизительно 180 кВА, т.е. по его максимальной мощности. [135]

Предлагаемое решение позволяет распределить во времени потребляемую электроэнергию, тем самым, снизив порог необходимой мощности присоединения. Учитывая, что соотношение времени потребления максимальной мощности, времени минимальных потреблений составляет примерно от 1/3 до 1/6, можно полагать снижение требуемой присоединительной мощности в 2,5-КЗ раза. Получается, что на каждый МВА имеющейся присоединительной мощности высвободить порядка 400-800 КВА. Если учитывать высокую стоимость присоединительных мощностей, (в настоящее время присоединительные мощности в городе Уфе составляют примерно 20 тыс. руб. за 1 кВт), то разовый эффект от внедрения только одной системы стабилизации тягового напряжения составит от 20 до 30 млн. руб. Ликвидность высвобождающихся мощностей очень высока. [77]

Кроме того, с точки зрения электрических сетей, сглаживание пульсации нагрузки в сети обеспечивает безопасность этих сетей и возможность контролируемого регулирования такого важного параметра как реактивная мощность. С другой стороны возможен отказ от строительства и ввода новых энергомощностей. [157]

Полигон транспортных путей ГЭТ, электрифицированных на постоянном токе в России, сегодня составляет около 22000 км. Создание электроподвижного транспорта постоянного тока нового поколения, где используются асинхронные двигатели и преобразователи на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ - транзисторы), подключаемые непосредственно к контактной сети позволяют ставить вопрос о том, что модернизация электроснабжения на тягу является актуальной. [65]

Контактной сетью называется совокупность устройств, включающая в себя контактную подвеску, поддерживающие ее конструкции и опоры, усиливающие провода, арматуру, тросовую систему, спецчасти, служащие для подведения электрической энергии к подвижному составу через непосредственный контакт с его приемником тока. Контактная сеть делится на электрически изолированные друг от друга участки, которые называются секциями контактной сети. Секции отделяются на границах изоляторами, которые называются секционными изоляторами. Каждой секции присваивается название или номер. Внутри секции могут, быть секционные изоляторы, которые называются промежуточными и служат для оперативных переключений при перераспределении и изменении нагрузки. В нормальном режиме работы они шунтируются электрическими перемычками. [66]

Статистика производства ремонтных работ в троллейбусном депо № 1 муниципального управления электротранспорта города Уфы показывает, что за 2010 год был произведен ремонт единиц силового оборудования троллейбусов приблизительно равный количеству подвижного состава, т.е., ежегодно каждый троллейбус проходит капитальный ремонт электрооборудования.

Данные приведены в таблице 1.

Стабилизация тягового напряжения может существенно снизить количество оборудования подвижного состава, которому требуется капитальный или текущий ремонт, вследствии значительного колебания напряжения контактной сети (400-800 В).

При повышении напряжения выше номинального происходят:

1. Пробои плавких предохранителей.

2. Пробои изоляции силовых кабелей.

3. Отключение автоматов защиты цепей.

4. Возможны утечки тока на кузов подвижного состава, что представляет угрозу для жизни пассажиров, входящих и выходящих из транспортного средства пассажиров.

При понижении напряжения ниже номинального:

1. Растёт ток в силовых цепях.

2. Происходит перегрев силового электрооборудования, кабелей, силовых контактов.

3. Прожоги изоляции кабелей, электрооборудования.

4. Искрение щёток тяговых и вспомогательных электродвигателей, прожоги коллекторов, последующий выход из строя.

5. Быстрый износ металлографитовых вставок токосъёмников из-за искрения.

6. Прожоги и обрыв проводов контактной сети.

7. Возгорания электротранспортного средства.

Все вышеперечисленные последствия нестабильности тягового напряжения приводят к простоям подвижного состава, финансовым убыткам предприятий горэлектротранспорта, значительным материальным затратам на ремонт и восстановление узлов электрооборудования машинного парка.

Таблица 1 — Ремонт электрооборудования подвижного состава в троллейбусном депо

№ 1 за 2011 год

№ Наименование электрооборудования Количество, Ед. Вид ремонта

1. ТЭДДК-213 78 КР

2. ДК-408 56 КР

3. ДК-410 44 КР

4. электродвигатель вспомогательный типа ДК-661Б 43 КР

5. токоприемник типа РТ-6И 196 КР

6. контроллер типа ЭКГ-20Б-1 32 КР, ТР

7. блок пуско-тормозных сопротивлений типа КФ-51Г 16 КР,ТР

8. автоматический выключатель типа АВ-8А-1 29 КР,ТР

9. выключатель типа ВУ-22-2Б1 97 КР,ТР

10. Замена электропроводки полная 2 КР

11. Различные преобразователи напряжения 72 ТР

12. Лампы осветительные разные 3780 замена

Для решения проблем энергоснабжения тяговой сети электротранспорта предлагается к рассмотрению автотрансформаторно-полупроводниковая система стабилизации тягового напряжения городского электрического транспорта.

Эта разработка по техническим и инженерным критериям значительно превосходит известные решения в виде дополнительных подстанций, т.к. не требует капстроительства, позволяет не превышать установленный уровень мощности и экономить до 30% электроэнергии, существенно увеличить межремонтный пробег подвижного состава, сократить затраты на капитальный и текущий ремонт, уменьшить количество обслуживающего персонала и, как следствие, фонда заработной платы. [130]

Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является создание автотрансформаторно-полупроводниковой системы стабилизации

и

напряжения (ССН) городского электрического транспорта для уменьшения потерь энергии и повышения надёжности работы электроподвижного состава.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) разработать требования к ССН для тяговой подстанции (ТП) постоянного тока ГЭТ и выполнить анализ существующих методов стабилизации и сформулировать требования, предъявляемые к ним системой городского электрического транспорта (ГЭТ);

2) разработать систему стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта;

3) разработать математическую модель ССН и исследовать работу ССН в статическом и динамическом режимах;

4) разработать методику расчёта ССН;

5) исследовать технико-экономическую эффективность применения ССН в тяговых сетях горэлектротранспорта с расчётом экономии электроэнергии на единицу подвижного состава.

Научная новизна. В диссертации впервые решен ряд теоретических задач, посвященных проблемам использования системы стабилизации тягового напряжения (ССТН) в системе электроснабжения городского электрического транспорта.

1. Впервые предложен и осуществлён метод стабилизации постоянного напряжения, основанный на широтно-импульсном управлении транзисторами мостового инвертора с последующей трансформацией напряжения автотрансформатором и его выпрямлении неуправляемым диодным мостом. Этот метод упрощает управление стабилизатором по сравнению со схемой с управляемым выпрямителем, снижает расчётную мощность трансформаторного оборудования.

2. Разработан алгоритм расчёта устойчивости системы стабилизации напряжения, питающей сериесные электродвигатели постоянного тока.

3. Разработана математическая модель комплекса стабилизатор напряжения городского э�