Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1.АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
1.1 Анализ работ по повышению энергетических показателей электровозов однофазно-постоянного тока 14
1.2 Устройства компенсации реактивной энергии в системе тягового электроснабжения 28
1.3 Применению гибридных компенсаторов в нетяговых сетях 32
1.4 Обзор работ по адаптивным САР 36
1.5 Постановка задачи исследования 41
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УЧАСТКА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ С ЭЛЕКТРОВОЗАМИ, ОБОРУДОВАННЫМИ ПАССИВНЫМИ И ГИБРИДНЫМИ ФИЛЬТРАМИ 44
2.1 Постановка задачи 44
2.2 Модель контактной сети 45
2.3 Модель тягового двигателя с учетом вихревых токов 48
2.4 Модель трансформатора и преобразователя электровоза 52
2.5 Модель пассивного КРМ 89
2.6 Модель гибридного КРМ 93
2.7 Выводы по главе 2 97
Глава 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 99
3.1 Выбор методики исследования и описание пакета DL 99
3.2 Проверка адекватности математических моделей контактной сети и электровоза 107
3.2.1 Проверка адекватности модели ТЭД 107
3.2.2 Проверка адекватности модели «подстанция-тяговая сеть- электровоз» 113
3.3 Особенности программного обеспечения расчетов на языке Паскаль и проверка сходимости результатов 117
3.4 Методика обработки результатов моделирования и оценки качества электроэнергии 119
3.5 Выводы по главе 3 121
Глава 4. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 122
4.1 Постановка задачи 122
4.2 Исследование процессов в электрической цепи при работе электровоза с включенным КРМ по схеме ВНИИЖТ 123
4.3 Разработка предложения по совершенствованию схемы пассивного КРМ 131
4.4 Исследование электромагнитных процессов при работе электровоза с гибридным КРМ 141
4.5 Разработка предложений по структуре системы управления гибридным КРМ 148
4.6 Выводы по главе 4 164
Глава 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КРМ 166
5.1 Принцип идентификации приведенных сопротивлений тяговой сети и электровоза 166
5.2 Методика определения э. д. с. коммутируемой секции трансформатора и пример определения параметров контактной сети 172
5.3 Разработка процедуры адаптации 183
5.4 Анализ результатов расчета электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз с гибридным фильтром и адаптивным управлением» 196
5.5 Выводы по главе 5 207
Глава 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ УПРАВЛЕНИЯ КРМ И ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 209
6.1 Выбор элементной базы системы управления гибридным компенсатором 209
6.2 Разработка способа и алгоритма формирования синхроимпульсов 216
6.3 Алгоритмы управления гибридным компенсатором реактивной мощности 226
6.4 Оценка технико-экономической эффективности от внедрения гибридного фильтра 242
6.3 Выводы по главе 6 247
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ 249
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 252
ПРИЛОЖЕНИЯ 260
Введение к работе
Железные дороги России были и остаются главной транспортной артерией экономики. Ими производится свыше половины общего грузооборота, а также треть пассажирских перевозок в стране. Основным транспортным средством страны является электрифицированный железнодорожный транспорт, энергозатраты которого составляют от 7 до 15% от стоимости перевозок. Министерство путей сообщения (МПС) Российской Федерации разработало программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, основное направление которой связано со снижением эксплуатационных расходов. В области подвижного состава намечено оснащение парка железных дорог локомотивами нового поколения с бесколлекторными тяговыми двигателями, отличающиеся повышенной мощностью и надежностью в эксплуатации, а также улучшенными энергетическими показателями.
Однако, в настоящее время отечественной промышленностью для сети железных дорог переменного тока продолжается выпуск электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения. Преимуществами такого способа управления являются плавное регулирование напряжения на коллекторных тяговых двигателях постоянного тока, позволяющее более полно реализовать сцепные свойства локомотива, а также генерирование электровозом в питающую сеть при рекуперативном торможении до 13-15% электроэнергии. Вместе с тем самым существенным недостатком этих электровозов является низкое значение коэффициента мощности, достигающее 0,84 в режиме тяги лишь в конце 4 зоны регулирования [1]. В режиме рекуперации значение этого коэффициента уменьшается до 0,3-0,7 [2], при этом амплитуды гармоник составляют: третьей- 20%, пятой -10%, седьмой -7%, девятой и одиннадцатой -до 2-3% тока электровоза .
В условиях дефицита электрической энергии приоритетными научными направлениями в развитии отрасли являются энергосбережение и улучшение качества электроэнергии. Последнее направление связано с внедрением на подвижном составе и предприятиях железнодорожного транспорта устройств для компенсации реактивной мощности. В системе электроснабжения электрифицированных железных дорог для повышения их энергетических показателей используют устройства поперечной емкостной компенсации. Они состоят из последовательного резонансного контура, образованного реактором и батареей конденсаторов. Такие устройства компенсации реактивной мощности устанавливают на постах секционирования и на шинах тяговой подстанции переменного тока. Однако более эффективным является подключение устройств компенсации непосредственно у потребителя реактивной мощности, то есть на электроподвижном составе. Исследования работы нерегулируемого компенсатора реактивной мощности на электровозе выполнены сотрудниками ВНИИЖТ. Испытания устройства КРМ на электровозе ВЛ85 показали, что такой компенсатор является эффективным средством для повышения коэффициента мощности электровоза. При этом основной эффект достигается за счет приближения фазы потребляемого электровозом тока к питающему напряжению.
В настоящее время вызывает определенный научный интерес природа реактивной мощности в несинусоидальных цепях. Существует несколько подходов к этой проблеме, отметим два из них, которые основаны на понятиях циркулирующей [74, 75] и обменной [76, 77] мощности. Пусть р - периодическая кривая мгновенной мощности. Среднее значение за период положительной части кривой р определяет т.н. прямую мощность Р+, а Р_- среднее значение отрицательной части кривой р. Величины Р+ и Р_ рассчитываются по формулам: 1ж\
p+=—l-(p\+p)d& (1)
In о 2 2я- о 2
Циркулирующая мощность определяется как:
Q4 = iP-= -\\p\-p)d$ (3)
Активная мощность цепи, определенная через Р+ и Р_ совпадает с общепринятым определением.
P = P,-P_= -2]pd9 (4)
Эти же величины Р+ и Р_ положены в основу определения обменной мощности:
Qo6=P +P- - (5)
In In
где $+ и i9_ -продолжительность протекания прямой и обратной
мощности соответственно. В [78] установлена связь между циркулирующей Qu и обменной go6 мощностью:
Q°°=Wpt (б)
т.е. обменная мощность равна сумме половины циркулирующей мощности и доли среднего значения активной мощности, выделенной на интервале 3_ .
Для электроподвижного состава однофазно-постоянного тока причиной, вызывающей появление реактивной мощности является нелинейность силового преобразователя. В связи с тем, что механизм расчета реактивной мощности до конца не изучен, в данной работе основное внимание будет уделено проблеме снижения реактивной мощности как средства повышения энергетических показателей электровозов однофазно-постоянного тока.
Одним из основных показателей электровоза переменного тока является коэффициент мощности км , определяемый произведением COS ф и коэффициента искажения тока V. Угол ф является фазовым углом сдвига между первыми гармониками потребляемого тока и питающего напряжения, а коэффициент искажения тока V, равный отношению амплитуды первой гармоники потребляемого тока к действующему значению этого тока, характеризует степень отличия потребляемого тока от синусоиды. Исследования, проведенные сотрудниками ВНИИЖТ, показали, что увеличения COS ф электровоза можно достигнуть за счет применения компенсатора реактивной мощности (КРМ). Однако включение компенсатора с постоянными параметрами его элементов вызывает перекомпенсацию или недокомпенсацию реактивной мощности при отклонении режимов работы электровоза от расчетных. Кроме того, применение КРМ не приводит к улучшению формы входного тока и, соответственно, увеличению коэффициента искажения.
Появление в середине 70-х годов полностью управляемых силовых приборов: GTO и GCT-тиристоров, а также IGBT-транзисторов [3] послужило основой устройств для улучшения качества потребляемой электроэнергии. Впервые о возможности реализации активного фильтра, компенсирующего мощность искажений, указано в работе [4], опубликованной в 1976 году. Изданная в следующем году работа [5], развивает метод применения активной фильтрации для улучшения качества энергии силовых потребителей. В статье обосновано и впервые введено понятие "гибридного" фильтра, представляющего сочетание пассивной LC- цепи и активного фильтра. В работах [6], [7] теоретически обосновано использование гибридных фильтров для компенсации реактивной мощности в трехфазных цепях. В работе [6] предложен новый алгоритм управления, позволяющий кроме компенсации реактивной мощности осуществлять симметрирование нагрузки трехфазного потребителя. В [8] проанализированы схемы включения активных фильтров и способы управления их ключевыми элементами. В работе [9] показаны общие принципы управления гибридным фильтром, приведены структурные схемы управления на базе следящего ШИМ-преобразователя.
Вместе с тем, перечисленные выше работы связаны с улучшением качества электроэнергии промышленных установок, отличающихся стабильностью режимов работы. Электроснабжение электрифицированного участка железной дороги имеет ряд особенностей, связанных с неравномерностью движения поездов и изменяющимся характером нагрузки. При установке устройств активной компенсации энергии на подвижном составе должны учитываться положение электровоза на фидерной зоне и связанное с этим изменение условий работы системы управления фильтром. Коррекцию в работу фильтра вносит переход от выпрямительного режима работы электровоза к рекуперативному, требующему изменения в настройке регулятора активного фильтра. Значительное влияние на функционирование компенсатора оказывают также другие электровозы, находящиеся на данной фидерной зоне. Кроме того, особенностью системы тягового электроснабжения является повышенное искажение формы питающего напряжения, требующего дополнительной коррекции системы управления активным фильтром, обеспечивающей стабильность функционирования устройства компенсации. Управление компенсатором выполнено адаптивным для учета изменений параметров тяговой сети при перемещении данного электровоза по участку, включениях и выключениях других электровозов, а также к нелинейным параметрам тягового двигателя. Реализация такой системы управления возможна с применением современных средств управления, в частности одноплатных микроконтроллеров, обладающими при малых размерах большими функциональными возможностями. Таким образом, разработка гибридного компенсатора реактивной мощности с адаптивной системой автоматического управления является актуальной задачей.
Значительный вклад в теорию и практику улучшения энергетики электровозов внесли работы, выполненные Тихменевым Б.Н., Лисицыным А.Л., Кучумовым В.А., Мугинштейном Л.А., Покровским СВ., Широченко Н.Н., Ермоленко Д.В, Яновым В.П., Крамсковым С.А., Ротановым Н.А., Феоктистовым В.П., Савоськиным А.Н., Иньковым Ю.М., Мамошиным P.P., Тулуповым В.Д., Литовченко В.В., Ардатским Н.И., Лисуновым В.Н., Шти-беном Г.А., Власьевским СВ. и другими авторами.
Первые теоретические и схемные разработки активных фильтров были выполнены в 70-х годах L.Gyugyi, E.C.Strycula, E.J.Stacey в электротехнической корпорации г. Питтсбург (шт. Пенсильвания, США). Исследованиям способов активной фильтрации в трехфазных сетях посвящены работы Ко-мацуги К. и Имуры Т. (Япония).
В отечественной литературе работы, посвященные активной фильтрации, связаны с именами Зиновьева Г.С, Лабунцова В.А., Мустафы Г.М., Ковалева Ф.И., Розанова Ю.К. В публикациях Литовченко В.В. [10-12] приведен детальный анализ работы четырехквадрантного преобразователя, являющегося схемотехнической основой активных и гибридных фильтров.
Данная диссертация посвящена решению важной народнохозяйственной проблеме повышения качества потребляемой электроэнергии путем разработки гибридного компенсатора реактивной мощности, позволяющего кроме увеличения COS 0 улучшить форму потребляемого тока и за счет этого повысить значения коэффициента искажения и коэффициента мощности.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью диссертации является разработка гибридного компенсатора реактивной мощности электровоза однофазно-постоянного тока для увеличения COS Ф и улучшения формы потребляемого тока за счет снижения в нем высших гармонических составляющих, а также создание алгоритма управле ния таким компенсатором, позволяющего максимально реализовать активную мощность электровоза как при синусоидальной, так и несинусоидальной (искаженной) форме кривой питающего напряжения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- разработана методика исследования электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электроподвижной состав с гибридным компенсатором реактивной мощности» с помощью пакета «Design Lab»;
- разработана структура гибридного компенсатора;
- разработана система автоматического управления активной частью компенсатора по критерию максимального потребления активной мощности;
- разработана система адаптивного управления активным фильтром, учитывающая изменение параметров сети во время его движения; ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
- моделирование электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» с многообмоточным трансформатором и 4-х зонным ВИПом, гибридным компенсатором реактивной мощности и адаптивной системой автоматического регулирования путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы, на основе применения пакета прикладных программ «Design Lab 8.0»;
- предложена новая структура пассивной части КРМ, обеспечивающая повышение коэффициента мощности на всех зонах регулирования;
- обоснован выбор структуры гибридного КРМ;
- разработана структура системы управления активной частью КРМ и алгоритм ее управления с применением ПИД-регулятора;
- разработана процедура идентификации электромагнитных параметров системы и адаптации ПИД-регулятора к ее изменяющимся параметрам;
ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ Проведенные исследования позволили разработать: -структурные схемы и комплекс математических моделей для исследования электромагнитных процессов в системе « тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный гибридным КРМ» с применением программного пакета «Design Lab 8.0»;
- алгоритмы управления гибридным компенсатором реактивной мощности от микроконтроллера типа С167 фирмы «Сименс»;
- выполнен подбор оборудования для изготовления гибридного КРМ и определена его расчетная экономическая эффективность.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы докладывались и одобрены:
- на 2-м международном симпозиуме «Электросбережения, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте», Москва, МИИТ, 21-22 марта 2000 г;
- на 3-ей международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава», г.Новочеркасск, 27-29 июня 2000 г;
- на 3-ей научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», Москва, МИИТ, 29-30 июня 2000 г;
- на 4-ой научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», Москва, МИИТ, 7-8 июня 2001 г;
- на кафедре «Электрические и электронные аппараты» Московского энергетического института (технический университет), Москва, 25 октября 2001 г;
- на семинаре «Преобразователи на электрическом транспорте» общества инженеров силовой электроники, Москва, 5 декабря 2001 г.
ПУБЛИКАЦИИ По теме диссертации опубликованы монография и 26 научных работ, получено 8 авторских свидетельств.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов по результатам работы, приложения, списка используемой литературы и содержит 270 страниц текста, 102 рисунка, 19 таблиц.
