Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и постановка задачи 8
1.1 История развития тягового привода 8
1.2 Проблемы при питании от тяговой сети переменного тока 11
1.3 Преобразователи для ЭПС с АТД 12
Глава 2 Расчётная схема и математическое описание процессов в 4q-S преобразователе 39
2.1 Расчётная схема 4q-S преобразователя 39
2.2 Анализ 4q-S преобразователя 42
2.3 Энергетические характеристики 4q-S преобразователя 51
Глава 3 Математическая модель системы «тяговая сеть-электровоз» 59
3.1 Математическое моделирование и построение математических моделей 59
3.2 Математическая модель системы «тяговая сеть - электровоз» 65
3.3 Модель тягового электроснабжения 65
3.4 Модель тягового трансформатора 69
3.5 Модель входного преобразователя (4q-S) 76
3.5.1 Математическое описание процессов в 4q-S преобразователе
3.5.2 Моделирование 4q-S преобразователя 76
3.6 Модель нагрузки 80
Глава 4 Результаты моделирования 84
4.1 Выбор варианта управления 84
4.2 Показатели, характеризующие входной преобразователь с ШИМ кратностью 9 и смещением несущих сигналов 90
4.3 Оценка качества регулирования 96
Глава 5 Экспериментальные исследование входного преобразователя 104
5.1 Описание средств и процесса измерения 104
5.2 Результаты экспериментальных исследований 109
Выводы по работе 115
Источники информации 116
- Проблемы при питании от тяговой сети переменного тока
- Энергетические характеристики 4q-S преобразователя
- Математическая модель системы «тяговая сеть - электровоз»
- Показатели, характеризующие входной преобразователь с ШИМ кратностью 9 и смещением несущих сигналов
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из условий успешного развития экономики Российской Федерации является наличие эффективной транспортной системы. В транспортной системе России ведущим и организующим видом транспорта является железнодорожный. Приоритетные направления его развития определены действующими государственными программами, которые предусматривают меры по интенсивной модернизации инфраструктуры и подвижного состава железных дорог.
В России в связи с наличием электрификации двух систем тока и с необходимостью увеличения участков работы ЭПС для повышения экономической эффективности необходим двухсистемный ЭПС. Создание таких локомотивов и локомотивов с бесколлекторными тяговыми двигателями, отвечающих современным требованиям и конкурентоспособным на рынке является одним из основных направлений в сфере локомотивостроения. Создание двухсистемного пассажирского электровоза с асинхронным тяговым двигателем указано в «белой книге» ОАО «РЖД» как результат работы в 2007-2011 годах.
Современный двухсистемный электровоз представляет собой сложный электротехнический комплекс, в состав которого входят асинхронные тяговые двигатели, трансформаторное, дроссельное и конденсаторное оборудование, полупроводниковые преобразователи и системы управления, которые должны обеспечивать получение заданных тяговых и тормозных характеристик во всех эксплуатационных режимах. При этом наиболее важной задачей является создание способов и алгоритмов управления, обеспечивающих требуемые тягово-энергетические показатели и электромагнитную совместимость электровоза с инфраструктурой в условиях изменяющихся параметров системы тягового электроснабжения, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.
Целью настоящей работы является усовершенствование системы управления входным преобразователем электровоза двойного питания с асинхронными тяговыми двигателями.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
выполнен анализ существующих систем управления входными преобразователями электроподвижного состава переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями;
проведены теоретические исследования электромагнитных процессов в силовых цепях входного преобразователя для установившихся режимов методом численного интегрирования и спектральным методом;
выполнен синтез адаптивной к изменяющимся параметрам питающей сети системы управления входным преобразователем;
выполнено имитационное моделирования процессов в системе «контактная сеть-входной преобразователь с системой управления-нагрузка» и определены электрические нагрузки элементов входного преобразователя.
Методы исследования. Для решения задач использованы следующие методы исследования:
- численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений;
- метод спектрального анализа электрических цепей;
- методы математического моделирования;
-методы экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана адаптивная к изменяющимся параметрам тягового электроснабжения система автоматического управления входным преобразователем.
-
Уточнена математическая модель системы: «контактная сеть – тяговый трансформатор электровоза – входной преобразователь с предложенной системой управления – нагрузка».
-
Получены результаты анализа электрических характеристик и энергетических показателей входного преобразователя с предложенной системой управления.
-
Получены экспериментальные параметры и характеристики входного преобразователя двухсистемного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями.
Практическая ценность работы Создана адаптивная система управления входным преобразователем, учитывающая изменение параметров тягового энергоснабжения, которая обеспечивает необходимые для современного ЭПС энергетические показатели и показатели электромагнитной совместимости.
Предложен способ управления двумя и более преобразователями.
Создана математическая модель системы: «контактная сеть - тяговый трансформатор электровоза – входной преобразователь с предлагаемой системой управления – промежуточное звено постоянного напряжения – нагрузка», позволяющая изучать процессы в указанной системе.
При помощи разработанной модели выполнен анализ электромагнитных процессов.
Достоверность полученных результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается:
корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;
применением фундаментальных законов теории электрических цепей и теории автоматического регулирования;
результатами испытаний, проведённых на экспериментальном кольце ВНИИЖТ, г. Щербинка.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались: на IV-ой международной научной студенческой конференции "Trans-Mech-Art-Chem", 2006 г., Москва; на научно-практической конференции "Наука МИИТа-Транспорту", 2007 г., Москва; на V-ой международной научно-практической конференции "Trans-Mech-Art-Chem", 2008 г., Москва ; на девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» , 2008, Москва, а так же на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 2006-2010 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 5 глав, выводов, библиографического списка из 76 наименований и содержит 123 страницы основного текста, 3 таблицы и 58 рисунков.
Проблемы при питании от тяговой сети переменного тока
Главной проблемой ЭПС переменного тока является проблемой повышения энергетических показателей, таких как КПД и коэффициент мощности. Низкие значения коэффициента мощности указывают на большую величину реактивной мощности, приводят к снижению пропускной способности линий электропередачи, увеличению падения напряжения в тяговой сети и недоиспользованию мощности всей системы тягового энергоснабжения. Кроме того, использование традиционных выпрямителей переменного напряжения, работающих на индуктивную нагрузку, сопровождается значительными искажениями тока в питающей сети, что ухудшает электромагнитную совместимость (ЭМС) электроподвижного состава с системой энергоснабжения.
Поэтому развитие входных преобразователей постоянно было связано с желанием повысить энергетические показатели, чтобы их улучшить необходимо было уменьшить величину реактивной мощности контактной сети.
Как в отечественных разработках, так и за рубежом на электроподвижном составе переменного тока с АТД нашли применение двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения или тока, обеспечивающие независимое изменение уровня и частоты напряжения, прикладываемого к АТД.
Одним из главных преимуществ двухзвенных преобразователей по сравнение с непосредственным преобразователем частоты (НПЧ) является относительная простота обеспечения устойчивости переходных процессов в электроприводе ЭПС с АТД, которые проявляют свойство автоколебательности при реализации предельных по условиям сцепления тяговых усилий [16].
Не менее важным является то обстоятельство, что между АТД и контактной сетью установлены статические преобразователи электроэнергии с промежуточным звеном постоянного напряжения (тока). На подвижном составе переменного тока входные преобразователи осуществляют функции выпрямления и в зависимости от типа выходного преобразователя имеют различные структура. Сложность входного преобразователя определяется требованиями, которые предъявляют к нему с точки зрения допустимого мешающего воздействия на питающую сеть. При этом необходимо обеспечить заданные массо-габаритные показатели и КПД.
Входные преобразователи классифицируются следующим образом [17]: выпрямители с естественной коммутацией тока; выпрямители с принудительной коммутацией тока; выпрямители с поэтапной принудительной коммутацией тока; импульсные выпрямители с регулированием выходного напряжения (тока); четырёхквадрантный преобразователь.
Выходные преобразователи электропривода ЭПС с АТД осуществляют функции изменения параметров электроэнергии промежуточного звена и обеспечивают регулирование режимов работы АТД по требуемым законам. При этом в зависимости от принятой структуры преобразования электроэнергии и типа входного преобразователя [18, 19] выходной преобразователь может осуществлять изменение или только частоты выходного тока - автономный инвертор тока (АИТ), или только частоты выходного напряжения - автономный инвертор напряжения (АИН) с амплитудным регулированием выходного напряжения, или частоты и уровня выходного напряжения - АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [20].
Наиболее широкое распространение на ЭПС переменного тока на российских железных дорогах общего пользования получили выпрямители с зонно-фазовым управлением [18]. Входной преобразователь в этом случае представляет собой выпрямитель с естественной коммутацией тока с последовательным или параллельным соединением мостов (рис. 1.2). Так, преобразователь опытного электровоза SV1 фирмы Stromberg при участии фирмы "Valmet") состоит из выпрямителя (рис. 1.2, a), LC- фильтра и АИН с ШИМ. Мост (Vi - V4) включен в работу постоянно, напряжение на конденсаторе фильтра поддерживается постоянным за счет фазового регулирования моста 2 (Vs-Vg). В принципе мост 1 можно было бы выполнить неуправляемым по аналогии с выпрямителем электровоза Е-1200 фирмы "ВВС", но выпрямитель, примененный фирмой "Stromberg" является предпочтительней, так как в этом случае выключением моста можно исключить подпитку от трансформатора при коротком замыкании в цепи промежуточного звена или при опрокидывании АИН [21]. В случае использования в тиристорном преобразователе частоты ТПЧ АИН с амплитудным регулированием выходного напряжения выпрямитель может выполняться с плавным межступенчатым регулированием напряжения (ВЛ-80А, ЭР-9А) для сохранения средневзвешенного коэффициента мощности на уровне 0,8 в широком диапазоне нагрузок. При использовании для стабилизации напряжения в промежуточном звене входного преобразователя электровоза SV1 электропривод, включающий выпрямитель с естественной коммутацией и АИН с ШИМ обеспечивает средневзвешенный коэффициент мощности на уровне 0,8. Вместе с тем в преобразователе частоты такого электропривода потери на коммутацию тока в АИН с ШИМ прямо пропорциональны количеству переключений и имеют более высокий уровень по сравнению с АИН с амплитудным регулированием выходного напряжения. Использование зонно-фазовых выпрямителей приводит к значительному уменьшению коэффициента мощности, снижению выпрямленного напряжения за счет индуктивных потерь и значительному мешающему влиянию на линии связи и устройства СПБ. Для устранения указанных недостатков входные преобразователи оснащают устройствами принудительной коммутации тиристорных плеч одного из регулируемых мостов.
Энергетические характеристики 4q-S преобразователя
Поэтому в практических схемах преобразователей нашел применение способ снижения мешающего влияния, основанный на параллельном подключении нескольких, в нашем случае двух, преобразователей к общей нагрузке. При этом возможны два различных алгоритма управления преобразователем. Первый - оба 4q-S преобразователя работают в режиме ШИМ с одинаковой кратностью є. Однако, модулирующие сигналы для первого и для второго преобразователей дополнительно смещают на углы ± —, сохраняя при этом начальный фазовый сдвиг между высокочастотным сигналом треугольной формы и синусоидальным модулирующим сигналом. Особенностью данного способа управления является необходимость несколько завышать мощность вторичных обмоток трансформатора, так как основные гармоники токов і[ и і { получают дополнительный фазовый сдвиг. Свободным от этого недостатка является второй алгоритм управления 4q-S преобразователями. Оба преобразователя работают в режиме ШИМ с различными кратностями, отличающимися на единицу, например, є" = є + \. Модулирующие сигналы при этом имеют одинаковые фиксированные фазовые сдвиги у/ = у/" = у/, и глубина модуляции для каждого преобразователя одинаковая // = //" = //. Напряжение на входе каждого преобразователя, в силу целочисленного значения є и є", имеет в своем составе гармоники с одинаковыми частотами, амплитуды которых определяются из выражения (2.22).
При этом некоторые гармоники в напряжениях и 2 и и"2 будут иметь одинаковые или различные амплитуды и находиться в противофазе. Учитывая, что гармоники тока і[ и і" будут иметь аналогичные фазовые сдвиги, а их амплитуды будут пропорциональны соответствующим амплитудам гармоник напряжения, в токе первичной обмотки трансформатора отдельные гармоники будут полностью отсутствовать, а остальные будут значительно ослаблены. Что же касается основной гармоники тока /І5 то она определяется суммой основных гармоник токов /{ и і", которые совпадают по фазе. Снижение содержания высших гармоник во входном токе, кроме уменьшения мешающего влияния ЭПС, приводит к дальнейшему увеличению коэффициента мощности. Особенностью 4q-S преобразователя, как преобразователя тока, является необходимость придать источнику питания свойства источника тока, что достигается увеличением индуктивности рассеяния обмоток трансформатора, то есть увеличением напряжения короткого замыкания, а также дополнительным включением в цепь вторичной обмотки трансформатора реактора. Кроме того, преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного напряжения, значение которого не ниже амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, определяет и область применение такого преобразователя для питания потребителей, требующих постоянного стабилизированного напряжения. Таким потребителем в нашем случае на ЭПС являются асинхронные трехфазные двигатели с АИН.
Оценивая эффективность применения 4q-S преобразователя на ЭПС, следует учитывать и тот факт, что преобразователь позволяет работать не только с нулевым, но и с опережающим сдвигом по фазе. Для контактной сети переменного тока и всей системы электроснабжения это эквивалентно подключению в месте нахождения ЭПС компенсирующего устройства, что позволяет повысить коэффициент мощности не только на токоприемнике, но и всей системы энергоснабжения. Увеличение коэффициента мощности системы энергоснабжения снижает токовую нагрузку контактной сети и, как следствие, уменьшает потери мощности в ней, которые в некоторой степени компенсирует увеличение потерь мощности непосредственно в преобразователе. Рассмотренный преобразователь обеспечивает работу ЭПС также и в режиме рекуперации электрической энергии от зажимов постоянного напряжения Ud в контактную сеть. С этой целью достаточно изменить сдвиг по фазе у/ между напряжением и1 и модулирующим напряжением иМ1 с отстающего на опережающее. При этом возможна работа преобразователя как с нулевым, так и с опережающим фазовым сдвигом ср на токоприемнике локомотива. Векторная диаграмма, соответствующая этому режиму работы преобразователя, приведена на рисунке 2.10. Imax Модель в широком смысле - это мысленный аналог, изображение, описание, схема, чертеж, карта и т.д. объекта, процесса или явления. Сам объект, процесс или явление называются оригиналом данной модели. Моделирование - это исследование какого-либо объекта, процесса или явления путем построения и изучения их моделей. Модели используются для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов. На идее моделирования базируется любой метод научного исследования. При этом в теоретических методах используются различного рода знаковые, абстрактные модели, а в экспериментальных - предметные модели. При исследовании сложное реальное явление заменяется некоторой упрощенной копией или схемой. Иногда построенная схема отражает какие-то существенные черты, позволяет разобраться в механизме явления, дает возможность предсказать его изменение.
Одному и тому же явлению могут соответствовать разные модели. Задача исследователя - предсказывать характер явления и ход процесса. Для того, чтобы более четко выявить закономерность сознательно идут на огрубление, идеализацию, схематичность, то есть изучают не само явление, а более или менее точную ее копию или модель. Все законы - это законы о моделях. Особую роль в науке играют математические модели, строительный материал и инструменты этих моделей - математические понятия. При построении математической модели, изучаемого объекта или явления выделяют те его особенности, черты и детали, которые с одной стороны содержат более или менее полную информацию об объекте, а с другой допускают математическую формализацию. Математическая формализация означает, что особенностям и деталям объекта можно поставить в соответствие подходящие адекватные математические понятия: числа, функции, матрицы и так далее. Тогда связи и отношения, обнаруженные и предполагаемые в изучаемом объекте между отдельными его деталями и составными частями можно записать с помощью математических отношений: равенств, неравенств, уравнений. В результате получается математическое описание изучаемого процесса или явление, то есть его математическая модель. В понятие математического моделирования включают и процесс решения на ЭВМ [67]. Построение математической модели - это центральный этап исследования или проектирования любой системы. От качества модели зависит весь последующий анализ объекта. Построение модели - это процедура не формальная. Она в существенной степени зависит от исследователя, его опыта и вкуса, всегда опирается на определенный опытный материал. Модель должна быть достаточно точной, адекватной и должна быть удобна для использования. Математические модели могут быть детерминированными и стохастическими. Детерминированные модели - это модели, в которых установлено взаимнооднозначное соответствие между переменными, описывающими объект или явления. Такой подход основан на знании механизма функционирования объектов.
Математическая модель системы «тяговая сеть - электровоз»
Основные решения, касающиеся выбора вида математических соотношений, характера исследуемых переменных и параметров, принимает исследователь. Однако такие операции, как расчет численных значений параметров модели, определение областей адекватности и другие, формализованы, алгоритмизированы и решаются на ЭВМ.
Вычислительная мощность современных компьютеров в сочетании с предоставлением пользователю всех ресурсов системы, возможностью диалогового режима при решении задачи и анализе результатов позволяют свести к минимуму время решения задачи.
Алгоритм решения задачи на ЭВМ связан с выбором численного метода при использовании одного из известных языков программирования высокого уровня. Возможно также решение задачи при использовании специализированного пакета программ для данной области техники.
Существует достаточно большое количество программ, позволяющих моделировать устройства силовой электроники в квазиреальном масштабе времени. Наибольшее распространение получили следующие: MathCad, Caspoc, Pspice, OrCad и Electronics Workbench [68].
MathCad имеет символьный язык общения с пользователем, удобный в случае, если удалось каким-либо образом получить математическое описание системы в виде набора формул. При достаточной сложности система должна быть разбита на несколько более простых подсистем. MathCad позволяет моделировать непрерывные и импульсные (дискретные) системы. Обычно используется для имитации сложных систем управления вентильными преобразователями, расчета устойчивости, расчета узлов обратной связи, гармонического анализа сложных сигналов при различных видах импульсной модуляции, расчета характеристик полупроводниковых ключей и магнитных элементов (дросселей, трансформаторов) и т.д. Моделирование в системе MathCad имеет смысл проводить только для отдельных узлов системы, для которых легко могут быть получены выражения в аналитической форме через некоторое количество известных переменных.
Пакет Caspoc разработан специально для моделирования преобразовательных установок. В основном это те устройства, где применимы системы импульсно-фазового управления тиристорами. К недостаткам следует отнести невозможность моделирования преобразовательных установок с различного рода импульсной модуляцией.
Система моделирования Pspice дает возможность изучать процессы в формате электрической принципиальной схемы, рассчитывать токи и напряжения во всех контурах и узлах схемы. Система имеет достоинство моделирования с использованием реальных элементов, выпускаемых серийно (библиотеки полупроводниковых приборов). Серьезным ограничением следует считать невозможность моделирования устройств с переменной структурой, а также моделирование сложных устройств, которые работают в импульсном режиме. Область применения ограничена моделями аналоговых цепей, работающих в непрерывном режиме, а также импульсными регуляторами в условиях полной определенности параметров цепи в каждый момент времени.
Системы моделирования OrCad и Electronics Workbench созданы на одной и той же математической платформе, что и Pspice, но предоставляют более удобный пользовательский интерфейс и некоторые дополнительные возможности. Тот же математический аппарат, что и в Pspice, не позволяет проводить более глубокое моделирование импульсных систем.
Моделирование в Pspice, OrCad и Electronics Workbench очень удобно, если имеется электрическая принципиальная схема объекта исследования. Однако системы не позволяют моделировать целиком достаточно сложные устройства силовой электроники, которые содержат в своем составе силовые электрические цепи и блок управления полупроводниковыми ключами.
В этой связи системы только аналитического моделирования (MathCad) и схемотехнического моделирования (Pspice, OrCad, Electronics Workbench) не могут полностью удовлетворить требованиям, которые предъявляются к модели процессов в силовых электрических цепях электровоза переменного тока с компенсатором реактивной мощности при движении на конкретном фидерном участке контактной сети.
Построение таких сложных моделей можно производить в мощной системе MatLab. Исходя из задач исследования, сформулированных в главе 1, математическая модель «тяговая сеть - электровоз» должна содержать модели составных частей: тяговая подстанция; контактная сеть; тяговый трансформатор электровоза; входной преобразователь (4QS); нагрузка - тяговые двигатели, подключенные через выходной преобразователь.
Питание ЭПС на участках электрифицированных железных дорог переменного тока осуществляется от тягового трансформатора, расположенного на тяговой подстанции, через контактную сеть.
Как тяговый трансформатор, так и контактная сеть обладают определенными параметрами, которые оказывают влияние на электромагнитные процессы при передаче электрической энергии от тяговой подстанции к ЭПС. При этом параметры участка контактной сети от подстанции до точки присоединения электровоза изменяются при его движении вдоль линии. В общем случае контактную сеть следует рассматривать как электрическую цепь с распределенными параметрами, которую представляют конечно-элементной моделью, основанной на последовательном включении Т-образных 4х-полюсников, соответствующих участку линии длиной Ах (рисунок 3.1).
В [69] предложена модель участка контактной сети длиной 20 км с разбивкой на 20, 50 или 100 элементов. Результаты анализа показали, что чрезмерное дробление длиной линии на элементы незначительно влияет на переходные процессы, а время расчета существенно возрастает. Экспериментальные исследования показывают, что в зависимости от расположения электровоза на фидерной зоне коммутационные процессы в преобразователе сопровождаются высокочастотными колебаниями с частотами от 800Гц до 2000Гц. Это позволяет определить длину волны при фазовой скорости УфъЪ 108м/с, равную Я= уф / f = 3 108 /(800 - 2000) = 150 - 375км. Учитывая, что расстояние между тяговыми подстанциями составляет 45-50 км (напряжение 25 кВ) или 70-90 км (напряжение 2 х 25к В), модель контактной сети допустимо представлять в виде одного Т-образного 4-х полюсника или двух соединенных последовательно. В последнем случае, согласно рекомендациям профессора Б.И. Косарева [70] схема замещения элемента контактной сети имеет вид (рисунок 3.2).
Показатели, характеризующие входной преобразователь с ШИМ кратностью 9 и смещением несущих сигналов
На кривых, представленных на рисунке 4.11 можно отследить, качество поддержания напряжения на звене постоянного напряжения (напряжение постоянно поддерживается на одном уровне), работу алгоритма ШИМ по напряжению вторичной обмотки трансформатора, а так же увидеть формируемый ток нагрузки и ток вторичной обмотки трансформатора. Дальше качество регулирования преобразователем оценивалось в следующих переходных режимах: Уменьшение напряжения контактной сети скачком до 19 кВ и изменение его скачком обратно; Повышение напряжения контактной сети скачком до 29 кВ и изменение его скачком обратно; Уменьшение мощности нагрузки до 0,25 номинальной; Увеличение мощности нагрузки от 0,25 до номинальной. Для оценки качество регулирования анализировались кривые стабилизируемого напряжения звена постоянного напряжения и тока сети при всех описанных выше режимах. Отклонение в напряжении составляет меньше 1%, ток сети стабильно поддерживался в заданном виде, с учётом гармоник показанных на рисунке 4.6. Главным показателем для оценки эффективности работы преобразователя с усовершенствованной системой управления являлся коэффициент мощности. Он менялся только на моментах перехода от одного режима к другому (когда ухудшалась форма кривой напряжения сети), при переключении на пониженное напряжение сети (19 кВ) коэффициент мощности снизился до 0,97. Для более детального анализа зарубежного опыта производства четырёхквадрантных преобразователей и для сопоставления методов управления, разрабатываемых в настоящей работе и используемых иностранными производителями были произведены испытания двухсистемного электровоза ЭШО-012 (совместное исполнение Канадской компании Bombardier Transportation и Новочеркасского электровозостроительного завода, который изготавливал механическую часть электровоза) на экспериментальном кольце ВНИИЖТ (г. Щербинка). Для проведения испытаний электровоз был оборудован измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).
С помощью ИВК регистрировались следующие величины: Напряжение вторичной обмотки трансформатора для двух преобразователей; Ток вторичной обмотки трансформатора для двух преобразователей; Ток резонансного фильтра; Напряжение промежуточного звена постоянного напряжения. Все перечисленные характеристики и показатели контролируются в процессе испытаний методами: ? прямых электрических измерений мгновенных значений токов, напряжений; ? прямых электрических измерений частоты токов и напряжений; ? расчета усредненных значений контролируемых характеристик и параметров электровоза на основе данных прямых и косвенных измерений. При испытаниях тяговая сеть была мощностью более 30 МВА, как и требуется. При испытаниях на экспериментальном полигоне минимальное сопротивление тяговой сети обеспечивается питанием по двухсторонней схеме с исключением из схемы любых промежуточных устройств (реакторов, трансформаторов и т.д.). Для проведения испытаний использовался вагон-лаборатория. Испытываемый электровоз и прицепленный к нему вагон-лаборатория были оборудованы Измерительной Системой. В соответствии с Программой метрологической аттестации и методикой периодической поверки измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) для испытаний произвелась калибровка измерительных каналов ИВК. Измерительная схема и порядок проведения испытаний соответствовали правилам техники безопасности, принятым при испытаниях электроустановок потребителей, эксплуатации и ремонте ЭПС.
Основной принцип определения контролируемых характеристик и показателей - ввод синхронных массивов мгновенных значений напряжений, токов, мощностей с требуемой частотой квантования и длительностью непрерывного цикла каждого ввода и последующий расчет усредненных значений. В общем случае требуемая частота квантования для каждого конкретного набора вводимых сигналов определяется в соответствии с теоремой Котельникова и должна быть в два раза выше частоты высшей из гармоник величина которых превышает 1 % от основной гармоники. На рисунке 5.1 представлена схема расположения датчиков внутри электровоза. В состав измерительной системы вошли датчики тока LT 1000, датчик тока LT 4000, датчики напряжения LV 100 производства ТвеЬЕМ класса точности 0,1. Сигналы поступали через соответствующие нагрузочные сопротивления на измерительную плату АЦП L-440 (14 бит) фирмы Lcard на базе шины USB (ver. 1.1) с сигнальным процессором ADSP-2185. Аналоговые сигналы регистрируемых электрических величин оцифровывались по каналам АЦП с частотой дискретизации 50 кГц. На рисунке 5.2 приведен фрагмент записи вышеназванных величин с помощью программы Power Graph.
