Введение к работе
Актуальность работы. Повышение энергоэффективности и безопасности перевозочного процесса является основной задачей, поставленной ОАО «РЖД» перед локомотивным хозяйством. Одним из потенциальных путей решения данной задачи является применение рекуперативного торможения.
Принятая ОАО «РЖД» программа «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года» предусматривает сокращение удельного расхода электроэнергии на 5%. За счет активного применения рекуперативного торможения по сети железных дорог было сэкономлено в 2008 г. порядка 1,3 млрд. руб., а в 2010 г. - уже 2,3 млрд. руб.
В настоящее время на электрифицированных железных дорогах России работают электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями (такие как ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ВЛ80ТК, 2ЭС5К и ЗЭС5К). Эти электровозы оснащены системой рекуперативного торможения, с помощью которой появляется возможность увеличения пропускной и провозной способностей железных дорог, повышения безопасности движения поездов и возврат электроэнергии в контактную сеть. В тоже время, существует ряд серьезных причин, сдерживающих широкое применение рекуперативного торможения.
К таким причинам относится то, что работа выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИЛ) электровоза в режиме инвертора вызывает значительные искажения синусоидальной формы напряжения контактной сети на токоприемнике электровоза, а также инвертор электровоза обладает низким коэффициентом мощности.
Искажения в кривой напряжения отрицательно влияют на работу блока синхронизации аппаратуры управления инвертором, в результате чего нарушается его устойчивость, так как в данном случае кривая питающего напряжения на токоприемнике может переходить через нулевое значение раньше, чем при синусоидальной форме, что может привести к опрокидыванию инвертора. Поэтому во избежание нарушения инверторного режима в реальных условиях эксплуатации задаются такие параметры системы управления инвертором, которые являются завышенными с точки зрения надежности его работы. Так, например, угол запаса инвертора принимается равным 3 = 25-30, что в два раза больше необходимого (S = 12-15) по условиям устойчивости инвертора. Увеличенное значение угла запаса значительно занижает коэффициент мощности Км электровоза, доводя его до 0,65 и менее.
Указанные недостатки ставят задачу по повышению энергетической эффективности электровозов с тиристорными преобразователями. Одним из перспективных направлений решения данной задачи является изменение структуры преобразователя либо изменение алгоритма управления инвертора.
В данной работе предлагается изменить алгоритм подачи импульсов на тиристоры ВИЛ и включить в его силовую схему диодное плечо. Этим самым обеспечивается плавный вход ВИЛ в коммутацию путем постепенного перевода секций тяговой обмотки трансформатора электровоза в режим коммутации, что
позволяет устранить резкое изменение значения принужденного напряжения на токоприемнике электровоза. Это влечет за собой уменьшение амплитуд свободных колебаний напряжения в сети. Одновременно с этим постепенный переход секций вторичной обмотки тягового трансформатора электровоза из режима проводимости в режим коммутации позволит повысить коэффициент мощности электровоза. В то же время применение диодного плеча позволяет практически исключить наличие на токоприемнике электровоза послекоммутационных колебаний, а также повысить устойчивость инвертора.
Целью работы является повышение энергоэффективности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения путем снижения коэффициента искажения синусоидальности напряжения (полного коэффициента гармоник) в тяговой сети и увеличения коэффициента мощности электровоза с помощью нового алгоритма управления многозонным инвертором и включения диодного плеча в схему инвертора.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
выполнен анализ существующих способов и средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения;
предложен и обоснован новый алгоритм управления тиристорными плечами ВИЛ в режиме инвертора;
разработана математическая модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть — электровоз в режиме рекуперативного торможения» для анализа и оценки влияния различных способов управления инвертором на энергетические показатели электровоза;
выполнены расчеты установившихся и переходных электромагнитных процессов для различных способов управления тиристорными инверторами электровоза и определены показатели качества электрической энергии, отдаваемой в тяговую сеть, а также коэффициент мощности электровоза;
предложены технические решения (устройство управления и принципиальная силовая схема электровоза переменного тока с включением диодного плеча), обеспечивающие организацию коммутации по новому алгоритму;
- выполнена технико-экономическая оценка эффективности разработанных технических решений, повышающих энергетическую эффективность электровозов переменного тока, работающих в режиме рекуперативного торможения.
Методика исследований. Исследования основаны на применении теории электрических цепей, математического моделирования с использованием программной системы OrCAD, гармонического анализа электромагнитных процессов с целью определения показателей качества электроэнергии и коэффициента мощности электровоза.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработан способ управления инвертором электровоза, реализующий
новый алгоритм на II, III и IV зонах регулирования напряжения, который способ-
ствует снижению амплитуд высших гармоник напряжения в тяговой сети и повышению коэффициента мощности электровоза;
- разработана обобщенная математическая модель, которая позволяет прово
дить анализ электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - кон
тактная сеть - электровоз в режиме рекуперативного торможения» и определять
показатели качества электроэнергии с учетом нового алгоритма управления инвер
тором и применения в силовой электрической цепи электровоза диодного плеча;
- получены функциональные зависимости величины перепадов питающего напряжения в моменты начала и окончания сетевой коммутации от эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:
разработана система автоматического регулирования угла запаса инвертора S, реагирующая на длительность коммутации плеч инвертора и позволяющая проводить точное измерение угла коммутации у;
разработана система слежения за окончанием коммутации в дополнительном контуре коммутации при реализации нового алгоритма;
- модернизированы кассеты БРУЗ-089 и БРУ-552 в блоке управления
БУВИП-133 электровоза ВЛ80Р, для реализации нового алгоритма управления
четырехзонным инвертором электровоза;
- доказано, что применение нового алгоритма управления инвертора на IV, Ш и II зонах регулирования совместно с включением в силовую электрическую схему инвертора диодного плеча позволяет уменьшить коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения от 12 до 22 % и повысить коэффициент мощности электровоза от 1,4 до 11,7 % в зависимости от режима эксплуатации электровоза.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов, полученных при математическом моделировании, подтверждается экспериментальными данными работы электровоза в режиме рекуперативного торможения на участке Андриановка-Ангасолка ВСЖД.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:
на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (22-24 апреля 2009 года, Хабаровск), ДВГУПС;
на IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (13-16 октября 2009 года, Томск), ТЛУ;
на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Наука, творчество и образование в области электроснабжения -достижения и перспективы», (11-12 ноября 2010 года, Хабаровск), ДВГУПС;
на Шестом международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов железнодорожного транспорта» («Элтранс - 2011», 25-28 октября 2011 года, Санкт-Петербург);
на VI международной научно-практической конференции «Электрификация транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2012» (25-28 сентября 2012 года Днепропетровск, Украина), ДНУЖТ;
на Всероссийской научно-практической конференции «Электропривод на транспорте и в промышленности», (25-27 сентября 2013 года, Хабаровск), ДВГУПС;
на заседаниях и семинарах кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2010-2013 годы.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 научных работах, из них две статьи в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях перечня ВАК Минобрнауки России и два патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиофафического списка из 101 наименования. Содержит 145 страниц основного текста, 5 таблиц и 64 рисунка.
