автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование выпрямительной установки возбуждения тяговых двигателей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения

На правах рукописи

ЛИНЬКОВ Алексей Олегович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НАй 2015

005568990

ИРКУТСК 2015

005568990

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС (ИрИИТ)».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент МЕЛЬНИЧЕНКО Олег Валерьевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

ПУДОВИКОВ Олег Евгеньевич - заведующий кафедрой «Электропоезда и локомотивы» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МГУПС)»;

кандидат технических наук, доцент

БАКЛАНОВ Александр Алексеевич - доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)».

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится 30 июня 2015 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения и на сайте университета http://www.omgups.iu/diss/sovet/linkov.html

Автореферат разослан 29 апреля 2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: d218.007.01@mail.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

© Омский гос. университет путей сообщения, 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Компания «Российские железные дороги» входит в число крупнейших потребителей энергоресурсов в России — на ее долю приходится около 5 % электроэнергии, потребляемой в стране ежегодно. Одним из путей снижения расхода электроэнергии на тягу поездов является применение электрического рекуперативного торможения электровозами. В связи с этим данное направление, отраженное в программах «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года» и «Энергетическая стратегия холдинга «РЖД» на перспективу до 2030 года», стало основой достижения долгосрочных стратегических целей компании.

В настоящее время эксплуатация современных отечественных электровозов переменного тока (ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1в/и и 2(3)ЭС5К) в режиме рекуперативного торможения осуществляется с низким коэффициентом мощности Км, не превышающим значения 0,65. Это вызывает значительное потребление реактивной энергии электровозом, снижение пропускной способности питающей сети в связи с загрузкой ее потоками реактивной мощности, недоиспользование мощности генераторов, трансформаторов и ряд других отрицательных явлений. Поэтому разработка способов повышения коэффициента мощности самих преобразователей ЭПС, снижения потерь электроэнергии в тяговых сетях и общего повышения эффективности ЭПС переменного тока в режиме рекуперативного торможения остается актуальной и исследованию рекуперативного торможения в настоящее время уделяется большое внимание как в России, так и за рубежом.

Степень разработанности проблемы. Вопрос повышения энергетических показателей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения является широко проработанным многими учеными, однако в основном исследуется работа выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) без учета работы блока выпрямительной установки возбуждения (ВУВ). Но во время отдачи электрической энергии в сеть одновременно происходит потребление части энергии через ВУВ для независимого питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей (ТЭД). Поэтому при определении коэффициента мощности электровоза необходимо учитывать влияние электромагнитных процессов, протекающих в ВУВ. Данная диссертационная работа посвящена исследованию названных процессов.

Целью диссертационной работы является улучшение энергетических показателей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения путем совершенствования методов и средств управления выпрямительной установкой возбуждения.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработать способ управления выпрямительной установкой возбуждения, позволяющий повысить энергетические показатели электровоза в режиме рекуперативного торможения.

2. Сформировать математическую модель системы «тяговая подстанция -контактная сеть — электровоз» для режима рекуперативного торможения, учитывающую влияние работы выпрямительной установки возбуждения и характеристики намагничивания сердечника тягового трансформатора на энергетические показатели электровоза.

3. Модернизировать выпрямительную установку возбуждения и блок фазового управления БУВИП для реализации разработанного способа управления.

4. Разработать устройство защиты выпрямительной установки возбуждения электровоза от коммутационного перенапряжения.

5. Исследовать энергетические показатели электровоза при работе с типовым и предлагаемым ВУВ на математической модели, лабораторном стенде и реальном электровозе ВЛ80Р в условиях эксплуатации.

Данная диссертационная работа входила в программу НИОКР «Разработка и внедрение комплексного оборудования повышения энергетических показателей и эффективности работы электровозов переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения» по договору № 184 от 10.04.2014 между ОАО «РЖД» и ФГБОУ ВПО «ИрГУПС».

Методы исследования. Исследование основано на применении теории электрических цепей, методов математического моделирования, численных методов решения интегральных и дифференциальных уравнений, теории преобразовательных устройств. Экспериментальные исследования проводились на математической модели в среде Ма^аЬ/БитшИпк, на физической модели в лаборатории ИрГУПСа и на электровозе ВЛ80Р № 1829.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Предложен способ управления ВУВ электровоза, заключающийся в открытии его плеч в начале каждого полупериода напряжения сети с регулированием момента их закрытия, за счет чего организуется потребление ВУВ реактивной мощности емкостного характера для снижения общей реактивной мощности электровоза и повышения его коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения.

2. Сформирована уточненная математическая модель системы «тяговая подстанция — контактная сеть - электровоз» для режима рекуперативного тор-

можения с учетом влияния работы ВУВ с типовым и предлагаемым способами управления и характеристики намагничивания сердечника тягового трансформатора, реализованная в среде Ма1ЬаЬ.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в следующем.

1. Модернизирована выпрямительная установка возбуждения, обеспечивающая повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения в среднем на 4 % и уменьшение на 67 % коэффициента относительной пульсации тока возбуждения в сравнении с типовым ВУВ.

2. Уточненная математическая модель системы «тяговая подстанция -контактная сеть - электровоз» для режима рекуперативного торможения позволяет исследовать различные способы управления и схемные решения преобразователей электровоза.

3. Разработано устройство защиты ВУВ электровоза от коммутационного перенапряжения, позволяющее отвести большую часть энергии индуктивнос-тей рассеяния тягового трансформатора от плеч ВУВ и направить ее встречно ЭДС вторичной обмотки дополнительного трансформатора.

4. Модернизирован блок фазового управления (БФУ-М БУВИП) для реализации разработанного способа управления ВУВ.

5. Разработан экспериментальный лабораторный «Стенд для исследования работы электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения» на базе лаборатории «Системы управления ЭПС» ИрГУПСа.

6. В эксплуатационном локомотивном депо ТЧЭ-5 Иркутск-Сортировочный Восточно-Сибирской Дирекции тяги ОАО «РЖД» электровоз ВЛ80Р № 1829 оборудован предлагаемой выпрямительной установкой возбуждения, разработана конструкторская документация на предложенные технические решения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Способ управления ВУВ электровоза, заключающийся в открытии его плеч в начале каждого полупериода напряжения сети с регулированием момента их закрытия, за счет чего организуется потребление ВУВ реактивной мощности емкостного характера для снижения общей реактивной мощности электровоза и повышения его коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения.

2. Уточненная математическая модель системы «тяговая подстанция -контактная сеть - электровоз» для режима рекуперативного торможения с учетом влияния работы ВУВ с типовым и предлагаемым способами управления и характеристики намагничивания сердечника тягового трансформатора, реализованная в среде «МаЛаЬ».

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается итогами математического моделирования в среде MatLab/Simulink, совпадением их с экспериментальными данными, полученными на лабораторном стенде, и с результатами эксплуатационных испытаний опытного электровоза ВЛ80Р№ 1829.

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы транспорта Восточной Сибири» (Иркутск, 2011, 2012); общесетевом слете молодежи ОАО «РЖД» в рамках конкурса инновационных проектов «Новое звено» в 2011 и 2012 гг.; совещании у вице-президента ОАО «РЖД» А. В. Воротилкина (протокол № AB-263/пр от 14.11.2011); всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2013, 2014); всероссийской научно-практической конференции «Электропривод на транспорте и в промышленности» (Хабаровск, 2013); заседании расширенного научно-технического семинара электротехнического факультета КНАГТУ с приглашением членов ученого совета (Комсомольск-на-Амуре, 2014); расширенном заседании кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог» ОмГУПСа (Омск, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, из них три статьи в изданиях, включенных в перечень Минобрнауки.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, четырех приложений, библиографического списка из 107 наименований и содержит 155 страниц основного текста, 8 таблиц и 103 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе работы проведен анализ научных трудов в области повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Отмечены работы ученых и специалистов мирового и российского уровня, таких как Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахтман, В. А. Кучумов, В. Б. Похель, Л. А. Мугинштейн, Ю. М. Иньков, Н. А. Ротанов, В. П. Феоктистов, Р. Р. Мамо-шин, А. Н. Савоськин, В. М. Антюхин, А. Л. Лозановский, Л. Д. Капустин, Н. С. Назаров, В. В. Литовченко, Л. В. Поссе, С. В. Захаревич, С. А. Петров,

В. А. Голованов, К. Г. Кучма, С. Н. Засорин, А. И. Харитонов, А. Т. Бурков, Б. М. Наумов, Н. С. Копанев, Б. И. Хоменко, Ю. М. Кулинич, С. В. Власьевский, Н. Н. Широченко, Б. Н. Ребрик, А. А. Бакланов, О. В. Мельниченко и др. Эти исследования стали научной основой при выполнении диссертационной работы.

Представлена тенденция развития выпрямительных установок возбуждения тяговых электродвигателей электровозов переменного тока. В настоящее время разработка и внедрение на подвижном составе управляемых силовых полупроводниковых приборов (СПП) открывает широкие возможности для реализации новых конструкций преобразователей и улучшения энергетических показателей электровозов в режимах тяги и рекуперативного торможения.

На основании проведенного анализа работ в области рекуперативного торможения электровоза переменного тока определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты исследования электромагнитных процессов электровоза в режиме рекуперативного торможения с использованием теории расчета энергетических параметров преобразователей.

В настоящее время на современных отечественных электровозах переменного тока используется ВУВ на основе тиристоров, выполненный по схеме двух-полупериодного выпрямителя с нулевой точкой. Типовой способ управления ВУВ заключается в том, что увеличение выпрямленного напряжения начинается при движении фазы импульса управления от конца полупериода напряжения к его началу (рис. 1, а). В результате управляется только фаза переднего фронта выпрямленного напряжения ив, а значит, и фаза переменного тока 1а6.х4 в цепи обмотки возбуждения аб-х4 тягового трансформатора. Открытое состояние тиристоров плеча после окончания для него положительной полуволны напряжения сети поддерживается благодаря разряду через него электромагнитной энергии, накопленной в индуктивностях обмоток возбуждения ТЭД в процессе выпрямления. Вся реактивная энергия через тиристорное плечо и трансформатор возвращается в сеть, создавая на своем пути потери энергии и сдвигая фазу (угол <р) первой гармоники переменного тока ¡'аб-х4 относительно переменного напряжения иа6.х4 в- обмотке возбуждения аб-х4 тягового трансформатора (см. рис. 1, а). К тому же, в этот момент интенсивно снижается выпрямленный ток возбуждения (в и, следовательно, повышается его пульсация Дга. Закрытие данного плеча происходит в пределах следующего полупериода напряжения благодаря открытию тиристоров второго плеча выпрямителя под действием положительного напряжения другой полуобмотки возбуждения тягового трансформатора. Такой процесс происходит каждый полупериод напряжения сети.

В главе подробно рассмотрены электромагнитные процессы, протекающие при работе типового ВУВ. Для каждого интервала времени диаграммы выпрямленного напряжения ив (см. рис. 1, а) составлена своя мгновенная схема замещения (рис. 1,6 —г).

Рис. 1. Диаграммы электромагнитных процессов (а) и мгновенные схемы замещения при работе типового ВУВ, соответствующие интервалам времени выпрямленного напряжения и„ 0-1 (б), 1-2 (в) и 2-я (г)

Согласно рис. 1, а величина полной пульсации выпрямленного тока Д/а напрямую зависит от величины и знака выпрямленного напряжения ив. Пульсация тока возбуждения £в вызывает пульсацию основного магнитного потока ТЭД, это в свою очередь влияет на форму ЭДС генератора, а следовательно, и на величину пульсации тока якоря.

Среднее значение выпрямленного напряжения возбуждения при работе типового ВУВ зависит от угла регулирования согласно формуле:

ив = ±Гит 51П Ш <1иЛ = С05(а°)+С05(Я-+У) ит = "»С«.)+С05(а.+У) ц (!)

7Г + У 7Г 2

где 1]т — амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, В; иво - напряжение холостого хода выпрямителя, Уво — —^ У2ф, В; 112ф -

действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора (выводы аб-а7 или а7-х4), В; ав - угол регулирования ВУВ, эл. град.

При увеличении угла ав происходит значительное снижение коэффициента мощности Кыеуа типового ВУВ по зависимости

к ~ —тот—■ (2)

где у - угол коммутации тиристоров, эл. град.

В итоге потребление типовым ВУВ реактивной мощности индуктивного характера и увеличенная пульсация выпрямленного тока возбуждения и якоря негативно воздействуют на форму тока в первичной обмотке тягового трансформатора, тем самым уменьшая коэффициент мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. К тому же, пульсация выпрямленного тока повышает нагрев электрических узлов и аппаратов электровоза и ухудшает процесс коммутации ТЭД.

Для устранения указанных выше недостатков типового ВУВ и повышения энергетических показателей электровоза в режиме рекуперативного торможения предложен новый способ управления ВУВ и выполнена модернизация его силовой схемы. Значительный эффект от изменения способа управления ВУВ для повышения коэффициента мощности электровоза будет получен не при снижении потребляемой ВУВ реактивной мощности до нуля, а при изменении ее характера с индуктивного на емкостный. В результате первая гармоника тока обмотки возбуждения трансформатора будет опережать по фазе напряжение и частично компенсировать индуктивную составляющую тока в тяговой обмотке трансформатора, что приведет к снижению общей реактивной мощности электровоза и повышению его коэффициента мощности.

Модернизация силовой схемы ВУВ была выполнена в направлении замены силовых тиристорных плеч У31 и УБ2 на силовые диодные плечи УВЗ и УБ4, а также включения в цепь обмоток возбуждения тягового трансформатора силового ЮВТ транзистора УТ1, подключенного своим коллектором к общей точке катодов УОЗ и УЮ4 (рис. 2, в). Кроме того, все обмотки возбуждения ТЭД, соединенные между собой последовательно, шунтируются параллельно подключенным к ним силовым диодным плечом УБ5. Причем катод УВ5 присоединен к эмиттеру транзистора УТ1, а анод - к среднему выводу а7 обмотки возбуждения аб-х4 тягового трансформатора.

Рис. 2. Диаграммы электромагнитных процессов (а, б) и мгновенные схемы замещения при работе предлагаемого ВУВ, соответствующие интервалам времени выпрямленного напряжения и, 3-4 (в) и 4-2тс (г)

Новый способ управления ВУВ заключается в том, что регулирование выпрямленного напряжения осуществляется путем подачи импульсов управления с фазой а = 0 эл. град, в начале каждого полупериода напряжения сети на IGBT транзистор VT1 с целью его открытия и снятия этих импульсов с фазой а = о-еуд с целью его закрытия. Отсчет фазы снятия импульсов а^ ведется от начала полупериода напряжения сети, причем увеличение выпрямленного напряжения ВУВ начинается при движении фазы а^, от начала полупериода к его концу, увеличивая тем самым длительность открытого состояния VT1. Управляется не только фаза переднего фронта выпрямленного напряжения, но и фаза заднего фронта этого напряжения. В результате предложенного способа значительно уменьшается угол сдвига фаз <р между переменными током и напряжением обмотки возбуждения аб-х4 трансформатора и меняется характер потребляемой ВУВ реактивной мощности с индуктивного на емкостный. В момент закрытия транзистора VT1 открывается диодное плечо VD5, через которое разряжается электромагнитная энергия, накопленная в индуктивностях обмоток возбуждения ТЭД в процессе выпрямления (рис. 2, г). В итоге накопленная электромагнитная (реактивная) энергия выполняет полезную работу и поддерживает ток в обмотках возбуждения ТЭД. Диодное плечо VD5 осуществляет также защиту VT1 от выбросов напряжения при его коммутационных переключениях. Управление VT1 осуществляется модернизированной кассетой БФУ-М блока управления БУВИП через драйвер, который обеспечивает гальваническую развязку сигналов управления от силовых цепей.

Среднее значение выпрямленного напряжения возбуждения при работе предлагаемого ВУВ зависит от угла регулирования согласно формуле:

Ц - 1 Гп II -I-.* - l+cos(^-g,yB) H-cos(7T-gByB) ,,

- ; 4_а8ув i/m sin tot dcot =---Um =---Ueo, (3)

где аф - длительность открытого состояния транзистора VT1 предлагаемого ВУВ, эл. град.

Для предлагаемого ВУВ коэффициент мощности рассчитывается в зависти от угла регулирования по формуле:

тгВув _ V2(l+cos(7r-o:ByB))

м 7л-(зт-(л--авуа)) ' { '

За счет изменения ав и а^ в выражениях (1) и (3) соответственно, достигается равенство средних значений выпрямленного напряжения возбуждения при работе типового и предлагаемого ВУВ. При подстановке этих углов в выражения (2) и (4) получено, что предлагаемый ВУВ работает с более высоким коэффициентом мощности, который принимает значение 0,72 при достижении тока возбуждения /„ ТЭД величины 900 А. К тому же, при новом способе управления ВУВ максимальные значения выпрямленного тока и напряжения сближаются (рис. 2, а, б).

На рис. 2, в, г показаны мгновенные схемы замещения при работе предлагаемого ВУВ для интервалов времени 3-4 и 4-2л: (см. рис. 2, а, б). Доказано, что изменение структуры силовой цепи ВУВ позволит исключить возникновение отрицательно выпрямленного напряжения, прикладываемого к нагрузке, а это значительно снизит пульсацию тока возбуждения Ai'„ при уменьшении угла регулирования а^ относительно работы с типовым ВУВ. Так как переменная составляющая основного магнитного потока ТЭД зависит от пульсации тока возбуждения iB, то при одновременной работе с инвертором электровоза уменьшение пульсации тока возбуждения приведет к уменьшению пульсации тока якоря.

При аналитическом исследовании влияния работы ВУВ на коэффициент мощности электровоза по цепи выпрямленного тока следует учитывать множество факторов (электромагнитные процессы в ТЭД, одновременная работа ВИП и ВУВ, электромагнитные процессы в тяговом трансформаторе, распределенные параметры контактной сети и др.). Поэтому для более точного определения коэффициента мощности электровоза в диссертационной работе производится математическое моделирование его работы, а расчет выполняется по цепи первичной обмотки трансформатора согласно формуле:

¿UkIkcoscpk

Ы JSlJ

к -il ¿-»к k=0 V k=0

где иь 4 - действующие значения напряжения и тока к-й гармоники; <рк - угол сдвига фазы между напряжением и током к-й гармоники.

Третья глава посвящена имитационному моделированию электромагнитных процессов, протекающих в электровозе. Сформирована уточненная математическая модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» для режима рекуперативного торможения с учетом влияния работы ВУВ с типовым и предлагаемым способами управления и характеристики намагничивания сердечника тягового трансформатора.

В основу математической модели входят результаты исследований ученых С. В. Власьевского, А. Н. Савоськина, Ю. М. Кулинича и М. 3. Жица. Моделировалась силовая электрическая схема двухсекционного электровоза ВЛ80Р. Модель тягового трансформатора уточнена внесением магнитных характеристик материала сердечника трансформатора ОДЦЭ-5000/25УХЛ2 для учета насыщения магнитопровода.

Для предлагаемого ВУВ получена система уравнений, описывающая изменение выпрямленного тока при работе ЮВТ транзистора УТ1 (интервал 3-4, рис. 2, в),

¿1вув _ е6~'шгш-'вувг6-Д^(уг:1+УР2) _

41 ~ ц-м16+м56

¿цТЙ-* Тш^ш

dt LB

Lвув 'в 'ш = О

(6)

и система уравнений, описывающая изменение выпрямленного тока при разряде энергии через диодное плечо VD3 (интервал 4-271, рис. 2, г):

rdiB _ iBrB+A[/(yp3) _ dt LB

_ ¿вгв+гш1ш) _ (7)

dt LB

i-D ~ ¿ui =

где M]6, M56 - взаимные индуктивности между соответствующими обмотками тягового трансформатора; е6 - ЭДС обмотки возбуждения трансформатора на выводах а7-х4\ AU - падение напряжения на диодах VDI, VD2, VD3 и транзисторе VT1 предлагаемого ВУВ:

Ввиду высокой скорости коммутации ЮВТ транзистора принято, что процесс коммутации тока протекает мгновенно и не оказывает влияния на выпрямленный ток ВУВ.

Предложенная модель позволяет производить исследования при различных способах управления и элементной базе ВУВ электровоза и анализировать протекающие электромагнитные процессы. Средой разработки модели выбран пакет Ма&аЬ. Проведен сравнительный анализ электромагнитных процессов при работе электровоза с типовым и предлагаемым ВУВ. Расчет коэффициента мощности электровоза производился согласно формуле (5) по параметрам переменного тока и напряжения тягового трансформатора.

В результате математического моделирования получено, что максимальные мгновенные значения тока возбуждения при работе с предлагаемым ВУВ находятся в области максимальных мгновенных значений напряжения. Длительность работы плеч УБ1, У82 типового ВУВ для достижения одного и того же среднего тока возбуждения в два раза больше относительно длительности работы транзистора УТ1 предлагаемого ВУВ. Объясняется это тем, что в момент закрытия УТ1 открывается диодное плечо Уй5 и через него разряжается накопленная в индуктивностях обмоток возбуждения ТЭД электромагнитная энергия, поддерживая тем самым ток возбуждения. Переменный ток в цепи обмотки возбуждения тягового трансформатора имеет в интервале угла регулирования а„ значительную реактивную составляющую при работе типового ВУВ, что и является основной причиной низкого значения его коэффициента мощности.

На математической модели получена зависимость потребляемой мощности типового и предлагаемого ВУВ от среднего тока возбуждения (рис. 3). Видно, что потребляемая типовым и предлагаемым ВУВ активная мощность одинакова. Однако при работе типового ВУВ потребляется реактивная мощность индуктивного характера, превышающая активную в три раза и достигающая значения 90 кВАр, а предлагаемый ВУВ на всем интервале работы потребляет реактивную мощность, но уже емкостного характера, в пределах 5 — 9 кВАр.

Производилось сравнение значений коэффициентов мощности ВУВ без учета работы инвертора электровоза в зависимости от изменения тока возбуждения от 300 до 900 А. Получено, что коэффициент мощности предлагаемого ВУВ в среднем увеличен на 90 % (рис. 4, а), а коэффициент относительной пульсации тока возбуждения уменьшен на 65 % (рис. 4, б) в сравнении с работой электровоза с типовым ВУВ.

с 290 390 490 590 690 790 890 290 390 490 590 690 790 890

Ток возбуждения, А Ток возбуждения, А

а) б)

Рис. 3. Зависимости потребляемой мощности типового (а) и предлагаемого (б) ВУВ от тока

возбуждения

Ток возбуждения А б)

400 500 600 700 Ток возбуждения /в, А

а)

Рис. 4. Зависимости коэффициента мощности ВУВ К^ (а) и коэффициента относительной пульсации тока возбуждения А"П01в (б) при работе типового и предлагаемого ВУВ от среднего тока возбуждения ТЭД

Для оценки влияния ВУВ на энергетические показатели электровоза производилось математическое моделирование его работы при одинаковых условиях. Получено, что в момент максимальных амплитудных значений сетевого напряжения (середина полупе- £ риода, рис. 5), в который про- I _ ™ ч исходит закрытие ЮВТ транзистора предлагаемого ВУВ и отключение его от сети, ток /)Пр в первичной обмотке тягового трансформатора увеличивается, в результате чего повышается коэффициент мощности электровоза. При работе с типовым ВУВ, на-

§ зоо

I <

£ 200£ я | £ 100

ю 2

° I о 14

т 5-100

I 25" I- -200-

Рис. 5. Диаграммы напряжения и тока в первичной

обмотке тягового трансформатора электровоза при работе с типовым г']™" и предлагаемым ¡|пр ВУВ

оборот, в это время происходит его включение и ток г']™" в первичной обмотке тягового трансформатора снижается, что уменьшает коэффициент мощности.

По результатам математического моделирования работы электровоза в режиме рекуперативного торможения с предлагаемым ВУВ повышение коэффициента мощности составило в среднем 4 % относительно работы электровоза с типовым ВУВ.

Так как предлагаемый ВУВ выполнен на современных электронных ключах (ЮВТ транзисторах), которые реализуют высокие скорости коммутации тока в цепях с наличием индуктивностей рассеяния, в диссертации исследованы цепи защиты, обеспечивающие снижение коммутационного перенапряг

'Л/IV VI'! «1/1.

Разработано устройство защиты от коммутационного перенапряжения, позволяющее отвести большую часть энергии индуктивностей рассеяния тягового трансформатора 77 при выключении ЮВТ транзистора УТ1 с его коллектора через дополнительные управляемые электронные ключи УТ2 и УТЗ на вторичную обмотку допол-Рис. 6. Электрическая принципиальная схема нительного трансформатора Т2 (рис. ВУВ электровоза с устройством защиты 6). Энергия коммутационного пере-от коммутационных перенапряжений

напряжения гасится за

счет направления возникающего тока противоположно электродвижущей силе вторичной обмотки трансформатора Т2.

Предлагаемые способы защиты ЮВТ транзистора ВУВ от коммутационного перенапряжения позволяют ограничить выбросы напряжения до безопасного уровня, характеризующегося классом транзистора.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований работы электровоза в режиме рекуперативного торможения с типовым и предлагаемым ВУВ.

Для проведения эксперимента на базе лаборатории «Системы управления ЭПС» ИрГУПСа разработан стенд для исследования работы электровоза в режимах тяги и рекуперативного тормо-' жения (рис. 7). Стенд является физиче-¿|'|| ' - ской моделью электровоза. Параметры

Рис. 7. Общий вид лабораторного стенда физичеСкоЙ модели

«контактная сеть -

для исследования работы электровоза

электровоз» определялись через масштабные коэффициенты в соответствии с теорией подобия. На основе рассчитанных данных изготовлены элементы модели. Для осуществления управления предлагаемого ВУВ на ЮВТ транзисторах модернизирован блок фазового управления (БФУ-М) блока управления БУВИП.

По результатам лабораторных испытаний получено относительное повышение коэффициента мощности электровоза в среднем на 5 %, и снижение коэффициента относительной пульсации тока возбуждения в среднем на 68 %.

Предлагаемым ВУВ на основе ЮВТ транзисторов оборудован опытный электровоз В Л80Р № 1829. На полигоне Восточно-Сибирской железной дороги -филиала ОАО «РЖД» проведены эксплуатационные испытания с участием тя-гово-энергетической лаборатории. Получено, что среднее значение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения при работе с типовым Км™а и предлагаемым Кмпг ВУВ увеличилось с 0,572 до 0,607 соответственно, что в процентном отношении составило 6 % (рис. 8), а коэффициент относительной пульсации тока возбуждения при работе с предлагаемым ВУВ уменьшился на 67,7 %.

По полученным результатам математического моделирования, лабораторных и эксплуатационных испытаний произведена оценка адекватности разработанных моделей. Погрешность расчетных и экспериментальных данных составила не более 7 %, а для ряда параметров - на уровне 3—4 %.

В главе произведен расчет технико-экономических показателей при оборудовании предлагаемым ВУВ одного электровоза серии ВЛ80Р.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан способ управления выпрямительной установкой возбуждения электровоза, заключающийся в открытии его плеч в начале каждого полупериода напряжения сети с регулированием момента их закрытия, за счет чего организуется потребление ВУВ реактивной мощности емкостного характера. В результате этого первая гармоника тока в обмотке возбуждения трансформатора будет опережать по фазе напряжение и частично компенсировать индуктив-

Активная мощность секции электровоза Р, кВт Рис. 8. Коэффициенты мощности опытного электровоза ВЛ80Р №1829 в режиме рекуперативного торможения

ную составляющую тока в тяговой обмотке трансформатора, что приведет к снижению общей реактивной мощности электровоза и повышению его коэффициента мощности.

2. Сформирована математическая модель системы «тяговая подстанция -контактная сеть - электровоз» для режима рекуперативного торможения с учетом влияния работы ВУВ с типовым и предлагаемым способами управления и характеристики намагничивания сердечника тягового трансформатора, реализованная в среде «МаЛаЬ». Математическая модель позволяет исследовать различные способы управления и схемные решения преобразователей электровоза для режима рекуперативного торможения.

3. Разработано устройство защиты ВУВ электровоза от коммутационного перенапряжения, позволяющее отвести большую часть энергии индуктивностей рассеяния тягового трансформатора от плеч ВУВ через управляемые электронные ключи на вторичную обмотку дополнительного трансформатора. Энергия коммутационного перенапряжения гасится за счет направления возникающего тока противоположно ЭДС вторичной обмотки дополнительного трансформатора.

4. Модернизированы силовая схема ВУВ и блок фазового управления (БФУ-М БУВИП) для реализации разработанного способа управления.

5. Проведены исследования энергетических показателей электровоза в режиме рекуперативного торможения при работе с типовым и предлагаемым ВУВ на математической модели, лабораторном стенде и реальном электровозе ВЛ80Р № 1829 в условиях эксплуатации, показавшие высокую сходимость полученных результатов. Повышение коэффициента мощности электровоза с предлагаемым ВУВ составило в среднем 4 %, уменьшение коэффициента относительной пульсации тока возбуждения 67 % в сравнении с типовым ВУВ.

6. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований на один электровоз серии ВЛ80Р при эксплуатации на полигонах Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорог — филиалов ОАО «РЖД» должен составить 76,5 тыс. руб. со сроком окупаемости 2,3 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Мельниченко О. В. Математическое моделирование работы электровоза с новой выпрямительной установкой возбуждения на ЮВТ транзисторах / О. В. Мельниченко, А. О. Линьков // Наука и техника транспорта / Московский гос. ун-т путей сообщения. Москва, 2013. № 2. С.21 - 28.

2. Мельниченко О. В. Повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения / О. В. Мельниченко,

С. Г. Шрамко, А. О. Линьков // Мир транспорта / Московский гос. ун-т путей сообщения. Москва, 2013. № 3(47). С.64 - 69.

3. Л иньков А. О. Исследование цепей защиты от коммутационных перенапряжений выпрямительной установки возбуждения электровоза на ЮВТ транзисторах / А. О. Линьков // Вестник ИрГТУ / Иркутский гос. техн. ун-т Иркутск, 2014. № 5. С. 119 - 126.

4. М ельниченко О. В. Повышение эффективности работы рекуперативного торможения электровоза переменного тока за счет применения ЮВТ транзисторов в выпрямительной установке возбуждения / О. В. Мельниченко, А. О. Линьков // Проблемы транспорта Восточной Сибири / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2011. С. 114-118.

5. Модернизация выпрямительной установки возбуждения для повышения эффективности режима рекуперативного торможения электровоза переменного тока / О. В. Мельниченко, А. О. Линьков и др. // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы всерос. науч.-практ. конф. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2012. Т. 2. С. 448 - 451.

6. Линьков А. О. Повышение эффективности режима рекуперативного торможения электровоза переменного тока в цепи возбуждения / А. О. Линьков, О. В. М ельниченко // Проблемы транспорта Восточной Сибири / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2013. С. 83 - 86.

7. Линьков А. О. Расчет экономической эффективности внедрения выпрямительной установки возбуждения на ЮВТ транзисторах для электровозов переменного тока ВСЖД - филиала ОАО «РЖД» / А. О. Линьков, О. В. Мельниченко // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы всерос. науч.-практ. конф. с международным участием / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2013. Т. 2. С. 330 - 334.

8. Математическое моделирование работы выпрямительной установки возбуждения на ЮВТ транзисторах / А. О. Линьков, О.В.Мельниченко и др. // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы всерос. науч.-практ. конф. с международным участием / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2013. Т. 2. С. 334 - 338.

9. Л иньков А. О. Выпрямительная установка возбуждения для электровозов переменного тока на транзисторах / А. О. Линьков, О. В. Мельниченко, С. Г. Шрамко // Электропривод на транспорте и в промышленности. Труды всерос. науч.-практ. конф. / Хабаровский гос. ун-т путей сообщения. Хабаровск, 2013. С. 190 - 191.

10. м ельниченко О. В. Снижение пульсации тока возбуждения при использовании ВУВ на ЮВТ транзисторах / О. В. Мельниченко, А. О. Линьков // Вестник Института тяги и подвижного состава/ Хабаровский гос. ун-т путей сообщения. Хабаровск, 2013. Вып.9. С. 48 - 51.

11. Линьков А. О. Цепи защиты от коммутационных перенапряжений выпрямительной установки возбуждения электровоза на ЮВТ транзисторах / А. О. Л иньков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы междунар. науч.-практ. конф. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2014. Т. 2. С. 529 - 534.

12. М ельниченко О. В. Эксплуатационные испытания электровоза ВЛ80Р с выпрямительной установкой возбуждения на ЮВТ транзисторах / О. В. Мельниченко, А. О. Линьков // Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем: Материалы междунар. науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. С. 75 - 82.

Типография ОмГУПСа. 2015. Тираж 100 экз. Заказ 237. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35