Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор и характеристика работ, проводимых в области рекуперативного торможения по повышению энергетической эффективности электровоза 11
1.1 Анализ научных работ в области рекуперативного торможения по повышению энергетической эффективности электровоза 11
1.2 Постановка цели и задач исследования 23
2 Разработка способа повышения энергетической эффективности электровоза в режиме рекуперативного торможения и выравнивания токов в параллельно соединенных тяговых электродвигателях 25
2.1 Исследование процессов при работе типовой схемы инвертора электровоза и влияние ББР на энергетические показатели режима рекуперативного торможения 25
2.2 Разработка способа повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения за счет изменения активного сопротивления ББР 45
2.3 Разработка способа выравнивания токов в параллельно соединенных тяговых генераторах 49
3 Математическое моделирование электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз» в режиме рекуперативного торможения 56
3.1 Общие принципы и выбор прикладного пакета для математического моделирования сложных технических систем 56
3.2 Математическая модель системы энергоснабжения железной дороги переменного тока 58
3.3 Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения
3.4 Оценка адекватности электромагнитных процессов в математической модели процессам на электровозе 87
3.5 Сравнительное исследование эффективности работы электровоза в режиме рекуперативного торможения при типовой схеме и предлагаемым способом изменения параметров активного сопротивления ББР по результатам расчета на математической модели 92
3.6 Исследование эффективности работы предлагаемого способа выравнивания токов параллельно включенных ТЭД на математической модели 100
3.7 Выводы по результатам математического моделирования 102
4 Проведение экспериментальных исследований предлагаемого решения и его технико–экономическая оценка 103
4.1 Разработка лабораторного стенда для исследования работы электровоза с типовой схемой и с предлагаемым способом изменения активного сопротивления ББР 103
4.2 Результаты исследования работы электровоза с типовой схемой и с предлагаемым способом изменения активного сопротивления ББР на лабораторном стенде 120
4.3 Технико–экономическая оценка внедрения предлагаемого способа изменения активного сопротивления ББР для повышения коэффициента мощности электровоза и снижения расхода песка
4.3.1 Единовременные затраты на модернизацию электровоза. 123
4.3.2 Дополнительные текущие расходы 125
Общие выводы по результатам работы 128
Библиографический список
- Постановка цели и задач исследования
- Разработка способа повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения за счет изменения активного сопротивления ББР
- Математическая модель системы энергоснабжения железной дороги переменного тока
- Результаты исследования работы электровоза с типовой схемой и с предлагаемым способом изменения активного сопротивления ББР на лабораторном стенде
Введение к работе
Актуальность темы исследования. ОАО «РЖД» потребляет до 6 % общего объема электроэнергии, произведенной в Российской Федерации. При этом значительная часть (до 78 %) электроэнергии расходуется на тягу поездов. Сегодня все эксплуатируемые в России электровозы переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями не соответствуют современным требованиям по энергетическим показателям согласно ГОСТ Р 55364-2012.
Электрифицированные на переменном токе железные дороги России эксплуатируют электровозы оборудованные полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых электродвигателей (ТЭД), в том числе около 60 % – выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) с зонно-фазовым регулированием, позволяющие реализовать режим электрического рекуперативного торможения. Применение на электровозах рекуперативного торможения позволяет добиться значительной экономии электроэнергии, снизить эксплуатационные расходы, повысить безопасность движения при вождении поездов повышенной массы и длины на участках пути с затяжными спусками и повысить участковую скорость.
Руководством компании ОАО «РЖД» обозначена одна из целевых задач – повышение энергоэффективности электровозов за счет увеличения удельной рекуперации электрической энергии. В связи с этим данное направление является основой достижения долгосрочных стратегических целей компании, отраженное в программах «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года» и «Энергетическая стратегия холдинга «РЖД» на перспективу до 2030 года».
Одним из перспективных направлений для повышения энергетических показателей электровозов с ВИП является повышение коэффициента мощности (Км) в режиме рекуперативного торможения, который является низким и составляет 0,45 - 0,65, что на 25 - 30 % ниже, чем в тяговом режиме (Км = 0,84). Поэтому изыскание путей повышения Км самих преобразователей электроподвижного состава (ЭПС), снижение потерь электроэнергии в тяговых сетях и общее повышение эффективности ЭПС переменного тока в режиме рекуперативного торможения остаются весьма актуальными.
Степень разработанности темы. Вопрос повышения энергетической эффективности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения является широко проработанным многими российскими учеными. Однако в основном исследуется работа ВИП без учета возможности снижения величины активного сопротивления блока балластных резисторов (ББР) в цепи
якоря ТЭД. Величина этих сопротивлений оказывает существенное влияние на энергетические показатели режима рекуперативного торможения электровоза. Данная диссертационная работа посвящена исследованию вопросов повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока за счет изменения величины активного сопротивления ББР в якорной цепи ТЭД и выравнивания токов параллельно включенных ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением.
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения путем изменения величины активного сопротивления ББР в якорной цепи ТЭД и выравнивания токов параллельно включенных ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработан способ изменения величины сопротивления ББР,
позволяющий повысить Км электровоза в режиме рекуперативного торможения.
-
Разработан способ выравнивания токов параллельно включенных ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением, позволяющий обеспечить равномерное распределение нагрузок между параллельно включенными ТЭД.
-
Разработана математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз» для режима рекуперативного торможения, учитывающая изменение активного сопротивления ББР.
-
Разработан научно-экспериментальный лабораторный «Стенд для исследования работы электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения», позволяющий исследовать влияние активного сопротивления ББР на Км электровоза.
-
Исследован Км электровоза при его работе в типовом режиме рекуперативного торможения и с изменением величины активного сопротивления ББР на математической модели и лабораторном стенде.
-
Разработано схемотехническое решение для реализации изменения активного сопротивления ББР применительно к электровозу.
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 MatLab/Simulink и на физической модели в лаборатории ИрГУПСа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен способ изменения сопротивления ББР электровоза,
заключающийся в изменении величины его активного сопротивления в
определенный момент времени относительно перехода сетевого напряжения через
ноль, в результате чего увеличивается активная составляющая тока первичной
обмотки тягового трансформатора и тем самым увеличивается коэффициент
мощности электровоза.
-
Предложен способ выравнивания токов параллельно включенных ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением, заключающийся в том, что при возникновении разности их токов формируется управляющий сигнал силовыми ключами для индивидуального изменения активного сопротивления ББР в цепи каждого ТЭД.
-
Разработана математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз» для режима рекуперативного торможения с учетом изменения величины активного сопротивления ББР и выравнивания токов параллельно включенных ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в следующем:
-
Разработаны схемные решения для модернизации силовой схемы электровоза с изменением сопротивления ББР, обеспечивающие повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения в среднем на 15 % и уменьшение на 28 % коэффициента относительной пульсации тока якоря ТЭД в сравнении с типовым режимом работы.
-
Разработаны принципиальные схемы блока управления для изменения сопротивления ББР и выравнивания токов параллельно включенных ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением.
-
Изготовлен блок управления для изменения сопротивления ББР и выравнивания токов параллельно включенных ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением.
-
Модернизированы два блока ББР-162 для установки их на электровоз переменного тока.
5. Разработан научно-экспериментальный лабораторный «Стенд для
исследования работы электровоза в режимах тяги и рекуперативного
торможения» на базе лаборатории «Системы управления ЭПС» ИрГУПСа.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Способ изменения сопротивления ББР электровоза, заключающийся в
изменении величины его активного сопротивления в определенный момент времени
полупериода относительно перехода сетевого напряжения через ноль, в результате
чего увеличивается активная составляющая тока первичной обмотки тягового
трансформатора, тем самым увеличивается коэффициент мощности электровоза.
2. Способ выравнивания токов параллельно включенных ТЭД,
работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением,
заключающийся в том, что при возникновении разности их токов изменяется
управляющий сигнал силовыми ключами для индивидуального изменения
активного сопротивления ББР в цепи каждого ТЭД.
3. Математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная
сеть – электровоз» для режима рекуперативного торможения с учетом
изменения сопротивления ББР и выравнивания токов параллельно включенных
ТЭД, работающих в режиме генераторов с независимым возбуждением.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается результатами математического моделирования в среде MatLab/Simulink, совпадением их с экспериментальными данными, полученными на лабораторном стенде.
Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы транспорта Восточной Сибири» (Иркутск, 2011, 2012); 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 секции «Локомотивное хозяйство» научно-технического совета ОАО «РЖД» от 21 августа 2012 г. №36; заседании рабочей группы при совете главных инженеров ОАО «РЖД» по вопросам формирования плана научно-технического развития ОАО №РЖД» от 31 января 2013 г. №ЦТех-104/пр.; заседании секции «Локомотивное хозяйство» НТС ОАО РЖД » под председательством главного инженера Дирекции тяги О.В. Чикиркина от 23 апреля 2015 г. № 10; научно-техническом совете по организации работ модификации электровоза 2(3)ЭС5К согласно концепции, предложенной кафедрой «Электроподвижной состав», под председательством главного инженера Дирекции тяги О.В. Чикиркина от 12 июля 2015 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 5 статей в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях перечня ВАК Минобрнауки России, получено 2 патента на изобретения. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 99 наименований, 2 приложений и содержит 130 страниц основного текста, 9 таблиц и 64 рисунка.
Постановка цели и задач исследования
Для создания определенного тока рекуперации в системе РИФ требуется меньшая электродвижущая сила (ЭДС) ТЭД (примерно на 150-200В при часовом токе), что способствует улучшению потенциальных условий и облегчению коммутации ТЭД электровозов. Положительный наклон внешней характеристики инвертора электровоза системы РИФ позволяет обеспечить электрическую устойчивость системы рекуперативного торможения без стабилизирующих сопротивлений в цепи ТЭД, что исключает потери энергии, увеличивает коэффициент полезного действия электровоза, а также позволяет несколько упростить компоновку электровоза за счет высвобождения габаритов, занятых стабилизирующими резисторами. Отсутствие влияния тока рекуперации на длительность интервалов импульсной коммутации обеспечивает минимальную функциональную нагрузку на систему авторегулирования электровоза и, следовательно, ее упрощение [31].
Результаты исследований инверторов системы РИФ, выполненных на стендах ОАО «ВНИИЖТ» г. Москва и завода ОАО «Электровыпрямитель» г. Саранск, а также на экспериментальном электровозе ВЛ80-РИФ подтвердили их преимущества по энергетическим показателям [33].
Однако для электровозов, оборудованных системой РИФ, снижение напряжения в контактной сети является критическим режимом, из-за особенностей протекания электромагнитных процессов при работе нескольких электровозов имеющих импульсно-фазовое регулирование при различной нагрузке [59].
В работе [54] показано исследование преобразовательной установки в инверторном режиме при работе с постоянным углом зажигания ( = const) и с постоянным углом запаса ( = const). Вариант с = const обладает устойчивой характеристикой инвертора и, следовательно, отдача активной энергии в сеть может осуществляться без каких-либо дополнительных стабилизирующих элементов. Однако он уступает второму варианту по основному энергетическому показателю – коэффициенту мощности. Вариант с = const для придания характеристике инвертора электрической устойчивости требует дополнительных стабилизирующих устройств, в качестве которых принято активное сопротивление ББР, включенное в цепь якоря каждого ТЭД. Исследования показали, что падение напряжения на ББР, а также расход энергии, связанный с работой вентиляторов системы их охлаждения, приводят к снижению средней величины Км в режиме рекуперативного торможения на 10%.
В работе [8] исследованы энергетические свойства и преимущества искусственной коммутации (ИК) тиристоров тягового преобразователя электроэнергии. Применение устройств ИК ведет к повышению энергетических показателей электровоза. Известны различные схемы для осуществления данного способа коммутации плеч преобразователей. Наиболее перспективным решением является тиристорный преобразователь с одноконденсаторной схемой ИК.
Устройство ИК состоит из одной коммутирующей емкости и двух коммутирующих тиристорных плеч, подключенных либо параллельно вторичной обмотке тягового трансформатора, либо коммутирующая емкость перезаряжается через цепи нагрузки преобразователя. В первом случае на обмотке трансформатора, в конце процесса ИК, появляется максимальное значение напряжения дозаряда коммутирующей емкости над мгновенным значением питающего напряжения. Такая реализация ИК при определенном сочетании параметров тяговой сети, величины тока и углов регулирования может поставить под угрозу изоляцию цепи высокого напряжения электровоза. Это обстоятельство дает преимущество второму решению, при котором вызванное коммутирующей емкостью максимальное значение напряжения прикладывается непосредственно к нагрузке. Использование данного способа организации коммутации плеч преобразователя позволяет обеспечивать регулирование как по переднему, так и по заднему фронтам напряжения. В режиме выпрямления имеется недостаток из-за ограниченной возможности фазового регулирования по заднему фронту. Исследования в данной области показали, что наибольшее повышение коэффициента мощности в режиме рекуперации достигается при слабовыраженной правой асимметрии сектора инвертированного напряжения в полупериоде, а в режиме тяги при левой асимметрии.
По результатам экспериментальных данных, проводимых на физической модели при равных условиях типовой схемы с углом опережения = 30 эл. град. и предлагаемой схемы с ИК при 1 = 35 эл. град. 2 = 165 эл. град., коэффициент мощности с ИК повысился в среднем на 15 %. Применение ИК ведет к уменьшению капитальных вложений при электрификации железнодорожных линий вследствие разгрузки энергосистемы и тягового электроснабжения от производства и переноса бесполезных потоков реактивной энергии. Однако использование устройств ИК связано со значительным увеличением габарита, массы и стоимости преобразователя. Для ЭПС это особенно существенно из-за ограничений габарита и массы, поэтому организация ИК по преобразователю не получило широкое применение.
В работах [1; 14; 15; 42; 43; 47; 51; 650; 705; 80; 87; 89] показан путь повышения Км, в том числе и в режиме рекуперативного торможения на основе применения компенсатора реактивной мощности (КРМ). Исследования, проводимые в 1990–х годах показали, что для рекуперации требуется значительно большая мощность компенсирующего устройства относительно режима тяги, так как идет повышенное потребление реактивной мощности [87]. Основным негативным фактором при применении компенсирующих LC-контуров в многозонном (более двух зон) инверторе является значительное увеличение массы и габаритов КРМ, что не допустимо для реализации на электровозах переменного тока.
Разработка способа повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения за счет изменения активного сопротивления ББР
Предлагаемый способ заключается в том, что изменяя величину сопротивления ББР в определенный момент времени относительно перехода сетевого напряжения через ноль, изменяем форму тока первичной обмотки и тем самым повышаем коэффициент мощности.
Изменение величины сопротивления ББР в сторону уменьшения можно осуществить шунтированием части сопротивления ключевым элементом.
В настоящее время на электровозах однофазно-переменного тока в качестве активных сопротивлений применяются блоки типа ББР-161. Конструктивно они представляют собой жесткий металлический каркас, в котором резисторы типа ЛФ набраны пакетом на изолированные шпильки. Рамки сопротивлений формируют канал для прохождения потока охлаждающего воздуха. Резисторы между собой и от каркаса разделены фарфоровыми изоляторами. Со стороны подключения сопротивления закрыты изоляционной стенкой, которая крепится к каркасу с помощью пружинящих пластин. Все выводы прикреплены к стенке болтами и уплотнены пластинных от утечек горячего воздуха внутрь кузова. Изоляция блоков от корпуса электровоза выполнена рамой, с помощью которой блоки крепят на электровозе. Блоки резисторов отличаются числом резисторов, габаритными размерами и схемами соединения резисторов. Рамку ленточного резистора образуют желоба и боковины. В окнах желобов на равном расстоянии друг от друга установлены керамические изоляторы. Сам элемент изготовлен из ленты высокого активного сопротивления, изогнутой зигзагообразно. На прямолинейных участках ленты вдоль витков выполнен изгиб корытообразной формы, придающий жесткость витку и улучшающий теплообмен охлаждающего воздуха. У мест перегибов ленты укреплены стальные держатели. В необходимых местах к ленте приклепаны и припаяны латунью медные выводы. Держатели и выводы при установке их в окна изоляторов обеспечивают крепление ленты в рамке. Выводы подрессорены пружинящей пластиной. Температурная компенсация удлинения витков ленты при нагревании обеспечивается свободным ходом держателей в пазах изоляторов. Резисторы ББР-161 устанавливаются на электровозах серии ВЛ80Р с №1734 вместо ББС - 131.
Для изменения сопротивления ББР в его конструкции производятся следующие изменения: - блок собирается в корпусе ББС-131; - от середины каждого резистора делается дополнительный вывод, так чтобы эквивалентное сопротивление составляло Rэкв= 0,0725 Ом. Модернизированная конструкция ББР представлена на рисунке 2.4. ополнительные выводы
Для предлагаемого способа изменения сопротивления ББР на рисунке 2.5 приведена упрощенная принципиальная схема силовых цепей для одной тележки электровоза серии ВЛ80Р. Она состоит из тягового трансформатора Т, выпрямительной установки возбуждения (ВУВ) на тиристорах VS9-VS10, ВИП на тиристорах VS1-VS8, сглаживающего реактора СР, двух тяговых двигателей, включенных в режиме генератора с независимым возбуждением, датчика потенциальных условий ТН, датчика синхронизации ТС, двух датчиков угла коммутации ДУК1 и ДУК2, тормозного переключателя QT. T
Блок управления шунтировкой активного сопротивления ББР Рисунок 2.5 – Упрощенная принципиальная схема одной тележки электровоза В схему добавлены IGBT-транзисторы VT1 и VT2 выполняющие роль управляемых ключей, которые шунтируют часть ББР, обеспечивая тем самым изменение его сопротивления, датчик напряжения D1, предназначенный для синхронизации блока управления изменением величины активного сопротивления ББР с сетевым напряжением и два датчика тока D2, D3 для измерения тока якоря тяговых электродвигателей для работы системы выравнивания токов, которая будет рассмотрена ниже. Диоды VD1 и VD2, предназначенные для исключения контурных токов в цепи якорей двух параллельно включенных двигателей.
ТЭД, работающий в режиме генератора с независим возбуждением, обладает жесткой электромеханической и механической характеристиками. При параллельном включении ТЭД в режиме генератора с независим возбуждением, важным становится вопрос равномерного распределения токов по параллельно включенным двигателям. На электровозах переменного тока в режиме рекуперативного торможения для этого служат дополнительные сопротивления в цепи якоря каждого ТЭД в режиме генератора с независимым возбуждением. В работе [88] показано, что при нормированном наибольшем разбросе характеристик двигателей ±3 % удовлетворительное распределение токов между ТЭД в режиме генератора с независимым возбуждением обеспечивается при величине дополнительного резистора 0,145 Ом, но при уменьшении его до значения 0,035 Ом разность токов в параллельных ТЭД в режиме генератора с независимым возбуждением становится недопустимо большой и составляет I=857 А даже без учета разброса диаметров бандажей колесных пар. При применении предлагаемого способа повышения Км вопрос распределения токов остается актуальным. В связи с этим на основе способа изменения величины активного сопротивления ББР разработан способ выравнивания токов параллельно включенных ТЭД в режиме генераторов с независимым возбуждением.
На рисунке 2.6 приведена функциональная схема реализации предлагаемого способа выравнивания токов параллельно включенных ТЭД в режиме генераторов с независимым возбуждением.
Она содержит два генератора Г1 и Г2, датчики тока ДТ1 и ДТ2 (D2 и D3 на рисунке 2.5), элемент сравнения, который вычисляет разность токов якорей Iя и два идентичных канала регулирования угла открытия ключей изменения сопротивления ББР К1 и К2. Входными сигналами системы выравнивания токов служат сигналы датчиков тока, а сама система является разомкнутой. На один канал разность токов Iя подается с положительным знаком, а на второй с отрицательным. Каждый канал содержит пропорционально-интегральный регулятор Р1 и Р2, формирующий требуемый закон управления, блок ограничения сигнала, блок вычисления arcsin, выходная величина которого вычитается из константы /2 для формирования диапазона угла от 0 до . Далее сигналы регуляторов поступают на формирователи импульсов ФИ, которые управляют ключами К1 и К2.
При возникновении положительной разности I она нормируется и подается на вход регулирующего звена Р2. Угол включения ключа К2 определяется как =/2-arcsin(Up). Таким образом часть полупериода от 0 до ток протекает через дополнительный резистор, а от до - через открывшийся ключ, т.е. rдоп=rдоп/2 так, как в предлагаемом способе изменения величины активного сопротивления ББР шунтироваться ключом будет половина сопротивления ББР.
Математическая модель системы энергоснабжения железной дороги переменного тока
В основу математической модели положена силовая электрическая схема двухсекционного электровоза ВЛ80Р [93]. Каждая секция электровоза включает в свой состав тяговый трансформатор, два ВИП, два сглаживающих реактора, четыре блока балластных резисторов, четыре ТЭД, датчики тока и напряжения, датчики угла коммутации, датчика слежения за потенциальными условиями во вторичной обмотке тягового трансформатора и один ВУВ на две секции.
Математическая модель тягового трансформатора
В представленной работе моделируется тяговый трансформатор ОДЦЭ-5000/25 УХЛ2 так, как трансформатором такого типа оборудован электровоз ВЛ80Р. Схема обмоток данного трансформатора представлена на рисунке 3.6 [93]. Наибольшее влияние на протекание электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза оказывают технические характеристики трансформатора. Поэтому для получения адекватных результатов необходимо подойти к его моделированию с особой тщательностью.
В многообмоточных трансформаторах, согласно теории электротехники [11], основной магнитный поток в стальном сердечнике трансформатора создается совместным действием магнитодвижущей силы (МДС) первичной и вторичных обмоток. Исходя из этого основной магнитный поток Фо тягового трансформатора рассчитаем как X (ijWj +i2w2+i3w3), где RM - магнитное сопротивление трансформатора; Ди - магнитная проводимость сердечника трансформатора. Подставляя (3.8) в (3.5 - 3.7) получим систему дифференциальных уравнений, которая описывает переходные процессы в трехобмоточном трансформаторе
В матрицах системы уравнений (3.15) на главных диагоналях расположены значения полных индуктивностей и активных сопротивлений обмоток тягового трансформатора. Справа и слева от главной диагонали индуктивностей расположены значения взаимных индуктивностей между обмотками трансформатора. Активное сопротивление и индуктивность секции вторичной обмотки тягового трансформатора, предназначенной для питания обмоток возбуждения ТЭД в режиме рекуперативного торможения (а6–а7, а7–х4): - активное сопротивление секций (а6–а7, а7–х4) r4=0,0004 Ом; - индуктивность секций (а6–а7, а7–х4) L4=0,0026465 Гн. Реализация модели тягового трансформатора производится при помощи блока Multi–Winding Transformer пакета Simulink. Блок Multi–Winding Transformer представляет модель однофазного многообмоточного трансформатора с произвольным числом. В блоке учитывается нелинейность характеристики намагничивания материала сердечника. Магнитные характеристики стали принимаются из каталога [36]. Пиктограмма и электромагнитная схема трансформатора показана на рисунке 3.8 [24; 97].
Для всех моделей трансформаторов параметры схемы замещения задаются в относительных величинах. Расчет относительных параметров производится по методике, изложенной в [24], с учетом паспортных данных на трансформатор ОДЦЭ-5000/25 УХЛ2 [93].
Блок схема модели трансформатора электровоза ВЛ80Р, разработанная в редакторе Simulink, показана на рисунке 3.9. Ь к ВИП
Блок схема тягового трансформатора ОДЦЭ-5000/25 УХЛ2 электровоза ВЛ80Р в редакторе Simulink
Номинальные действующие напряжения обмоток трансформатора, в соответствии с [93], следующие: U1(А–Х) = 25 кВ; U2(а1–х1; а2–х2) = 1230 В; U2(2–х1; 4–х2) = 615 В; U2(1–х1; 3–х2) = 922,5 В; U2(а6–а7; а7–х4) = 180 В. Адекватность данной модели трансформатора доказывается результатами моделирования опытов холостого хода и короткого замыкания. На рисунке 3.10 и 3.11 приведены диаграммы, полученные в опыте холостого хода с учетом нелинейности намагничивания сердечника трансформатора при приложении к первичной обмотке номинального напряжения. Нелинейность намагничивания сердечника учтена в математической модели трансформатора внесением магнитных характеристик сердечника, что позволяет повысить точность моделирования электромагнитных процессов в модели трансформатора к процессам, протекающим в реальном тяговом трансформаторе электровоза
Результаты исследования работы электровоза с типовой схемой и с предлагаемым способом изменения активного сопротивления ББР на лабораторном стенде
На входы модели In1 и In2 подаются сигналы от датчиков тока, блок Sum1 вычисляет разницу между токами и подает получившуюся величину на блок Dead Zone, который формирует зону нечувствительности. Если разница между токами меньше 50 А то на выходе будет ноль, если больше то на выходе блока будет величина соответствующая разнице токов. Далее сигнал подается на пропорционально-интегральный регулятор, который формирует необходимый закон регулирования. С выхода регулятора полученный сигнал поступает на блок ограничения, где нормируется по величине от минус 1 до +1. С выхода ограничителя полученный сигнал поступает на два канала вычисления угла закрытия силовых ключей (согласно предлагаемому алгоритму изменения параметров активного сопротивления ББР открытие силовых ключей осуществляется в момент времени равный 2 мс от начала полупериода), причем на один канал сигнал подается с положительным знаком, а на второй с отрицательным. Оба канала идентичны, поэтому рассмотрим только один. Полученный сигнал поступает на блок реализующий вычисление функции арксинус. Результат вычисления складывается с константой 90 эл. град. для получения диапазона угла открытия силовых ключей от 0 эл. град. до 180 эл. град. Затем полученный сигнал поступает на блок ограничения, его величина ограничивается на уровне 144 эл. град. (согласно предлагаемому алгоритму изменения параметров активного сопротивления ББР закрытие силовых ключей осуществляется в момент времени соответствующий 8 мс от начала полупериода сетевого напряжения).
Для оценки адекватности были выполнено сравнение электромагнитных процессов, полученные во время экспериментальных поездок электровоза на участке Андриановская – Слюдянка I, протяженностью 37 км с уклоном до 17,4 0/00 (Протокол эксплуатационных тягово-энергетических испытаний электровоза переменного тока ВЛ80Р № 1829 по Договору ИрГУПС с ОАО «РЖД» №726/493 от 08.06.2010 г.) с результатами математического моделирования при одинаковых условиях.
Для сравнения был выбран режим рекуперативного торможения электровоза со следующими параметрами работы: - удаление электровоза от тяговой подстанции 20 км; - IV зона регулирования, типовой алгоритм управления инвертором электровоза; - угол опережения открытия = 35 эл. град., регулируемый угол открытия р = 81 эл. град. Диаграммы мгновенных значений напряжения и тока первичной обмотки тягового трансформатора показаны на рисунке 3.28.
В качестве критерия сравнения электромагнитных процессов, полученных на математической модели и в ходе эксплуатационных исследований электровоза, был выбран коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, который является одним из основных энергетических показателей. 30 -10
Диаграммы напряжения и тока первичной обмотки тягового трансформатора: а – полученные в ходе эксплуатационных исследований; б – полученные при математическом моделировании Расчет показателей, характеризующих синусоидальность напряжения, производится по следующим формулам: - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ки ) где U(n) - значение n-й гармонической составляющей напряжения; U(V - значение первой (основной) гармоники напряжения; N (п) - номер гармоники напряжения (N = 40); - коэффициент п-ной гармонической составляющей напряжения равен U (n) КЩп)= -Ш%. (3з8) (і)
При расчете выбранных показателей для диаграмм, полученных в ходе эксплуатационных исследований, необходимо разложение их в ряд Фурье. Разложение производилось графоаналитическим способом. Разложение диаграмм, полученных моделировании, выполнялся с использованием встроенного в Simulink блока быстрого преобразования Фурье.
На рисунке 3.29 представлен сравнительный анализ гармонического состава напряжения первичной обмотки тягового трансформатора.
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения первичной обмотки тягового трансформатора, определенный по формуле (3.37), полученный при эксплуатационных исследованиях, составил 10,1 %, а при математическом моделировании - 10,7 %. Результаты математического моделирования показали достаточную сходимость протекающих процессов с электромагнитными процессами на электровозе. Относительная погрешность составила около 5 %. Незначительные отклонения гармоник можно объяснить случайными процессами в тяговой сети при проведении экспериментальных исследований (например, наличие других электровозов на фидерной зоне и др