Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ работ по учету электрической энергии и контролю ее качества на электроподвижном составе переменного тока магистральных железных дорог 13
1.1 Анализ работ в области учета расхода электрической энергии на электровозах переменного тока 13
1.2 Анализ работ в области контроля качества электрической энергии на электровозах переменного тока 21
1.3 Анализ работ в области автоматизации учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока 24
1.4 Постановка цели и задач исследования 35
2 Исследование влияния факторов эксплуатации электроподвижного состава на точность учета электрической энергии и контроля ее качества 38
2.1 Влияние технических средств и схем измерения на точность учета электрической энергии и контроля ее качества 39
2.2 Влияние искажений синусоидальной формы кривых тока и напряжения на точность учета электрической энергии и контроля ее качества 49
3 Математическая модель автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока 60
3.1 Методика математического моделирования электромагнитных процессов в системе «контактная сеть - электровоз» 60
3.2 Разработка математической модели системы «контактная сеть — электровоз» для оценки расхода и показателей качества электрической энергии, потребляемой электровозами переменного тока 65
3.2.1 Математическая модель контактной сети переменного тока 66
3.2.2 Математическая модель электровоза переменного тока 70
3.2.3 Разработка математической модели автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока 86
4 Разработка технических решений по созданию автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока 99
4.1 Разработка автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока 99
4.2 Разработка виртуального прибора для измерения расхода и показателей качества электрической энергии, потребляемой электровозами 108
4.3 Экспериментальные исследования разработанных технических решений по измерению расхода и показателей качества электрической энергии на электровозе 114
4.4 Сравнение результатов экспериментальных исследований и математического моделирования по измерению показателей качества и расхода электрической энергии на электровозе 122
4.5 Технико-экономическая оценка эффективности разработанных технических решений по измерению показателей качества и расхода электрической энергии на электровозе 125
Выводы 132
Список использованной литературы 134
Приложение а 148
Приложение Б 149
- Анализ работ в области автоматизации учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока
- Влияние искажений синусоидальной формы кривых тока и напряжения на точность учета электрической энергии и контроля ее качества
- Разработка математической модели автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока
- Экспериментальные исследования разработанных технических решений по измерению расхода и показателей качества электрической энергии на электровозе
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из целей программы «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» ОАО «Российские железные дороги» является - коренное улучшение структуры управления энергетическим комплексом отрасли на основе современных автоматизированных информатизационных технологий, систем учета и мониторинга расходования энергоресурсов, взаимовыгодных систем взаимодействия производителей и потребителей энергоресурсов отрасли [97]. Правильная организация системы учета электроэнергии необходима, поскольку ее производство и потребление практически совпадают во времени и допущенная ошибка в учете электроэнергии при ее производстве или потреблении может быть исправлена только расчетным путем. В основе такого расчета лежит косвенный путь учета электроэнергии и поэтому влечет за собой погрешность. Реализация этой цели сводится к необходимости разработки и внедрения автоматизированных систем учета расхода электрической энергии, обеспечивающих оперативность и достоверность информации о потребленном количестве электрической энергии, для каждого участника перевозочного процесса в процессе выполненной работы.
На сегодняшний день на большинстве серий электровозов переменного тока, ввиду отсутствия измерительных трансформаторов напряжения, применяют упрощенную схему измерения расхода электрической энергии. В такой схеме цепи напряжения счетчиков электрической энергии подключены к части обмотки собственных нужд на вторичной стороне тягового трансформатора электровоза, а токовые цепи - к трансформатору тока, установленного в цепи первичной обмотки тягового электровоза. Единой пропорциональной зависимости между изменениями напряжения в контактной сети и напряжения на обмотке собственных нужд трансформатора для разных электровозов переменного тока нет, и поэтому для оценки удельного расхода энергии на тягу поездов приходится принимать усредненный коэффициент трансформации. Все это вызывает достаточно большую неточность измерения расхода электрической энергии, потребляемой электровозами на тягу поездов.
Также одним из приоритетных инновационных направлений научных исследований в области энергосбережения при работе устройств железнодорожного транспорта является переход на коммутационное электрооборудование на основе силовых полупроводниковых элементов [34].
Применение электрооборудования на основе силовых полупроводниковых элементов, и в частности использование тиристоров в выпрямительно-инверторных преобразователях электровозов переменного тока позволяет плавно регулировать напряжение на тяговых двигателях, обеспечивая высокие тягово-энергетические характеристики электроподвижного состава. С другой стороны нелинейность вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводниковых элементов приводит к значительным искажениям формы кривой тягового тока и синусоидальной формы кривой рабочего напряжения контактной сети на токоприемнике электровоза, что ухудшает показатели качества электрической энергии. В таких условиях эксплуатации эффективное функционирование электроподвижного состава затруднено. В этой связи целесообразно вести своевременный контроль показателей качества электрической энергии на электроподвижном составе с целью выявления отклонений от нормы и дальнейшей выработки мероприятий по их устранению.
В сложившихся условиях актуальными стали следующие задачи:
- разделение учета электрической энергии, потребленной из контактной сети линейными предприятиями железнодорожного транспорта, а также разработка и внедрение методик раздельного учета электрической энергии;
- устранение недостатков схемных решений измерительной системы учета электрической энергии на электроподвижном составе;
- обеспечение достоверности и оперативности учета и контроля рационального потребления электрической энергии, потребляемой электровозами, на основе создания автоматизированной системы.
Эффективность разрабатываемых технических решений по улучшению качества электрической энергии и экономии при внедрении энергосберегающих технологий на электроподвижном составе необходимо оценивать с применением современных средств измерения. Они позволяют осуществлять регистрацию мгновенных значений электрических параметров, характеризующих работу электровоза, и дальнейшую их обработку.
Предлагаемый для использования на электровозах способ определения расхода и показателей качества электрической энергии, основанный на регистрации мгновенных значений токов и напряжений и последующим применением алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) в интервале времени, кратном периоду питающего напряжения, позволяет определить по гармоническим составляющим расход и основные показатели качества электрической энергии, характеризующие степень искажения синусоидальности кривой напряжения. Технические решения разработаны с использованием комплексного подхода при формировании данной системы и применении современных с высоким классом точности сертифицированных приборов.
Внутрисистемный учет электрической энергии и контроль ее качества на электровозах переменного тока позволит непрерывно анализировать электропотребление, основные показатели качества электрической энергии и вырабатывать методики регулирования параметров электрической энергии.
Целью работы является обеспечение достоверности и оперативности учета расхода и контроля качества электрической энергии, потребляемой электровозами переменного тока, путем создания в них автоматизированной системы на основе современной информационно-измерительной техники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить анализ существующих систем учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- исследовать факторы эксплуатации электровозов переменного тока, влияющие на точность измерения расхода и показателей качества электрической энергии, потребляемой электровозами из контактной сети на тягу поездов;
- создать обобщенную математическую модель системы «контактная сеть - электровоз», включающую в себя трансформатор тяговой подстанции, участок контактной сети, электровоз в режиме тяги с многообмоточным трансформатором и четырехзонным выпрямителем и систему учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- разработать принципиальные схемы измерения, обработки данных и виртуальный прибор для автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля показателей ее качества на электровозах переменного тока;
- выполнить расчеты электромагнитных процессов для определения показателей качества электрической энергии, потребляемой из контактной сети;
- выполнить сравнение значений показателей качества электрической энергии, потребляемой из контактной сети, полученных при опытной поездке электровоза с поездом и его моделировании;
- разработать продукционную модель представления базы знаний «экспертной системы - советчик» для выработки корректирующих действий системы управления электровоза по снижению расхода и повышению качества электрической энергии, потребляемой электровозом переменного тока из контактной сети;
- выполнить технико-экономическая оценка разработанной автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока.
Методика исследований.
- аналитическое исследование электромагнитных процессов в многозонном выпрямителе электровоза в предположении бесконечной мощности источника электрической энергии с приведением ко вторичной обмотке трансформатора электровоза параметров трансформатора тяговой подстанции и тяговой сети;
- численное интегрирование системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в системе «контактная сеть -электровоз», на основе применения программного пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2;
- амплитудный спектральный анализ электромагнитных процессов с целью определения гармонического состава токов и напряжений в первичной обмотке трансформатора электровоза;
- имитационное моделирование электромагнитных переходных процессов в системе «контактная сеть - электровоз» с применением пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2;
- испытания электровоза на участке железной дороги с использованием разработанных технических решений для определения адекватности модели и доказательства повышения точности измерения автоматизированной системой учета расхода и контроля качества электрической энергии на электровозах переменного тока.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока, входящая в состав обобщенной математической модели системы «контактная сеть - электровоз», позволяющая анализировать электропотребление, основные показатели качества электрической энергии и вырабатывать методики регулирования параметров электрической энергии;
- разработан алгоритм по реализации процессов работы математической модели системы учета электрической энергии и контроля ее качества;
- разработан способ определения интеграла периодической функции в интервал времени, равный периоду питающего напряжения для реализации математической модели системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- предложена продукционная модель представления базы знаний «экспертной системы - советчик» для выработки корректирующих действий системы управления электровоза по снижению расхода и повышению качества электрической энергии, потребляемой электровозами переменного тока из контактной сети.
Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями в опытных поездках на электровозе ВЛ80Р на участке Артем-3 - Партизанск Дальневосточной железной дороги.
Практическая ценность заключается в следующем:
- с помощью пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2 реализован комплекс математических моделей для исследования электромагнитных процессов в системе «контактная сеть - электровоз» и определения расхода и показателей качества электрической энергии, потребляемой электровозом переменного тока;
- разработаны принципиальные схемы измерения и обработки данных для автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- разработано программное приложение (виртуальный прибор) для контроля электропотреблеиия и показателей качества электрической энергии в составе автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- доказана адекватность результатов математического моделирования реальным результатам работы электровоза путем проведения испытаний электровоза ВЛ80Р № 1513 на участке Артем-3 - Партизанск Дальневосточной железной дороги с применением макетного образца разработанной автоматизированной системы учета расхода и контроля качества электрической энергии.
Внедрение. Макетный образец разработанной автоматизированной системы учета расхода и контроля качества электрической энергии на электровозах переменного тока был использован в опытных поездках на электровозе ВЛ80Р №1513 локомотивного депо Смоляниново ДВЖД в ноябре 2007 г., что зафиксировано в акте «Об использовании результатов научных исследований и разработок в производстве».
Методика математического моделирования для исследования электромагнитных процессов в системе «контактная сеть - электровоз» с возможностью определения расхода электрической энергии и определения показателей ее качества и ее программная реализация, а также программное приложение (виртуальный прибор) для измерения расхода и показателей качества электрической энергии используются в лабораторном практикуме по дисциплинам «Информационно-измерительная техника» и «Силовая электроника электропривода» и на практических занятиях по дисциплине «Математическое моделирование электромагнитных процессов на ЭВМ» для студентов обучающихся по направлению подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и специальности 140604 - «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, ее отдельные разделы и результаты докладывались и обсуждались на:
- региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, ДВГУПС, 18-19 апреля 2006 г.;
- Всероссийской конференции-конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение», Томск, ТПУ, 26-29 сентября 2006 г.;
- 1Х-ом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов «Наука - Хабаровскому краю» (Секция технические науки), Хабаровск, ТОГУ, 17 января 2007 г.;
- V-й Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17-19 апреля 2007 г.;
- международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 17-19 октября 2007 г.;
- Х-ом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов «Наука - Хабаровскому краю» (Секция технические науки), Хабаровск, ТОГУ, 29 января 2008 г.;
- заседаниях семинаров кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2006-2008 годы.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 11 научных работах, из них 3 публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. На защиту выносятся следующие положения:
- математическая модель системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- алгоритм по реализации процессов работы математической модели системы учета электрической энергии и контроля ее качества;
- способ определения интеграла периодической функции в интервал времени, равный периоду питающего напряжения для реализации математической модели системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- продукционная модель представления базы знаний «экспертной системы - советчик» для выработки корректирующих действий системы управления электровоза по снижению расхода и повышению качества электрической энергии, потребляемой электровозами переменного тока из контактной сети;
- принципиальные схемы измерения и обработки данных для автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока;
- программное приложение (виртуальный прибор) для контроля электропотребления и показателей качества электрической энергии.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит 147 страниц основного машинописного текста, 30 рисунков, 4 таблицы, двух приложений, списка литературы из 126 наименований на 14 страницах. Всего 149 страниц.
Анализ работ в области автоматизации учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока
Расход электрической энергии на тягу поездов составляет свыше 33 млрд. кВт-ч в год или 83 % от общего ее расхода железнодорожным транспортом [119]. В связи с этим постоянно проводятся работы по поиску рациональных методов использования электрической энергии и экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов. В таких условиях правильный учет расхода и контроль качества электрической энергии окажет серьезное влияние на поиск рациональных режимов работы электрооборудования системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава, а также путей экономии электрической энергии. Для решения этих задач на ряде железных дорог России ведутся работы по замене счетчиков электрической энергии на более современные (электронные и микропроцессорные) и разработке рациональных схем их включения, а также внедрению автоматизированных систем контроля и учета электропотребления (АСКУЭ).
Перевод задачи учета электрической энергии на ЭВМ со специализированным программным обеспечением придает этим системам дополнитель 25 ную гибкость, позволяет сократить затраты ручного труда на обработку информации и получить эффект за счет сокращения трудоемкости обработки. Помимо учета энергопотребления эффективно могут решаться другие прикладные задачи по оценке состояния устройств электрооборудования, контролю показателей качества потребляемой электроэнергии, выявлению потерь и нерациональных расходов электрической энергии. Контроль показателей качества электрической энергии особенно актуален для потребителей, получающих питание от тяговых подстанций переменного тока.
Проведение измерений без непосредственного участия человека, т.е. автоматически, позволяет резко повысить производительность труда, обеспечить высокую объективность полученных результатов вследствие исключения погрешности измерений, вносимой оператором. Автоматизация позволяет обеспечить:
- сбор измерительной информации в местах, недоступных для непосредственного участия человека в процессе измерения и контроля;
- длительные, многократно повторяющиеся измерения;
- одновременное измерение большого числа величин;
- измерение параметров быстропротекающих процессов, время изменения которых соизмеримо со временем измерения и обработки полученных результатов по расходу и контролю качества электрической энергии, а также со временем принятия решения;
- измерения, характеризующиеся большими массивами полученной информации и сложными алгоритмами ее обработки;
- вести непрерывный мониторинг расхода и качества электрической энергии на электровозах.
Вопросам создания и совершенствования автоматизированных систем измерения, контроля и обработки информации о параметрах работы электроподвижного состава посвящены работы многих авторов, таких как А.А. Хац-келевич, Л.А. Мугинштейн, А.Л. Лисицин, В.П. Грицевский, М.С. Пясик, Б.И. Хомяков, И.К. Лакин, В.П. Феоктистов, Ю.В. Смирнов, А.Ю. Тимченко, Н.Г. Шабалин, В.В. Семченко и многие другие.
Существующие автоматизированные системы и измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) применяются на электроподвижном составе с целью регистрации параметров работы оборудования и движения электровозов во время их эксплуатации и испытаний, в том числе и учет расхода электрической энергии на тягу поездов. В основном, такие системы включают в себя следующие функциональные группы:
- различные датчики, входные сигналы которых различной физической природы и их набор, зависят от объема испытаний и исследований характеристик подвижного состава;
- преобразователи аналоговых сигналов датчиков в цифровой код, что позволяет вести дальнейшую передачу и обработку информации;
- ЭВМ с периферийными устройствами, обеспечивающие получение необходимой информации непосредственно в ходе поездки в наглядном виде (таблицы, графики);
- преобразователи, обеспечивающие устойчивое питание элементов системы.
До начала 80-х годов XX века для испытаний разных типов электроподвижного состава использовались вагоны-лаборатории, оснащенные набором измерительного и испытательного оборудования на базе стрелочных приборов, магнитографов, самописцев и другого неуниверсального оборудования, стыковка которого между собой и регистрация показаний представляла сложные технические проблемы [113, 114].
Появление в 80-х годах XX века персональных электронно-вычислительных машин (ЭВМ), допускающих их установку на движущихся объектах, позволило создать более доступные по цене и функциональные ИВК. В них осуществлялось управление процессами сбора, хранения и обработки данных путем стыковки измерительных приборов с ЭВМ. В свою очередь такой измерительный комплекс требовал программного обеспечения ЭВМ для проведения измерений и испытаний.
Так в 1979-1980 гг. в отделении электрификации ВНИИЖТа была создана и испытана в 1981 г. автоматизированная система для экспериментального исследования режимов работы электровозов. Работа [114], посвященная этой системе, в полной мере описывает преимущества замены ручного ввода экспериментальных данных на машинный носитель против существующих ранее методов их измерения.
Автоматизированная система позволяет одновременно производить замеры таких параметров как: скорости вращения всех колесных пар электровоза и вагона-лаборатории, токи тяговых двигателей, напряжение на токоприемнике, сила тяги электровоза, его потребляемые полная и активная (полезная) мощности, расход электрической энергии, позиции контроллера машиниста, данные о срабатывании реле боксования, подаче песка и другие. Измерение, преобразование и регистрация названных параметров происходит в дискретные моменты времени с возможностью изменения интервала времени между замерами. Различная физическая природа входных сигналов, возможности датчиков и требования, предъявляемые к точности измерений, определили выбор системы с аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП), которые установлены после датчиков в каждом входном канале. Такая структура системы дает возможность использовать не только мгновенные значения исследуемых параметров, но и их средние или действующие значения, выбирая тип или режим работы АЦП. Связь между АЦП и ЭВМ обеспечивается с помощью кодового коммутатора, в котором происходит запись информации на машинный носитель, что позволяет обрабатывать ее после опытной поездки на стационарной ЭВМ или на микро-ЭВМ в вагоне-лаборатории. Кроме того, можно обрабатывать информацию в реальном масштабе времени.
Влияние искажений синусоидальной формы кривых тока и напряжения на точность учета электрической энергии и контроля ее качества
ЭПС железных дорог переменного тока для тяговой сети является потребителем электрической энергии с нелинейной нагрузкой, так как в своем составе имеет выпрямительные установки на полупроводниковых приборах. Такая нагрузка искажает синусоидальность кривых напряжения и тока в контактной сети при питании нагрузки выпрямленным током из-за возникновения естественной коммутации тока вентилей выпрямителя в начале каждого полупериода переменного напряжения. Возникновение режима короткого замыкания в цепи переменного тока (обмоток тягового трансформатора электровоза) в интервалы коммутации токов вентилей выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза приводит к провалам в кривой синусоидального напряжения на этих интервалах. Эти провалы искажают форму кривой напряжения и приводят к возникновению высших гармонических составляющих, что ухудшает показатели качества электрической энергии [125]. Для оценки погрешности измерений электрической энергии руководствуются типовой инструкцией РД 34.09.101-94 или методикой выполнения измерений РД 34.11.333-97. В этих документах приведен алгоритм расчета суммарной погрешности измерений электрической энергии измерительными комплексами, состоящими из измерительных трансформаторов тока и напряжения, счетчиков электрической энергии и УСПД. Эта погрешность складывается из основных погрешностей средств измерений, входящих в измерительный комплекс, и дополнительных погрешностей от влияющих величин. Вклад от дополнительных погрешностей может снизить точность измерений электроэнергии. Например, дополнительные погрешности могут возникнуть из-за отклонений от номинальных значений температуры окружающей среды, частоты тока и напряжения сети, превышающих нормативные значения, предусмотренные стандартом на качество электрической энергии ГОСТ 13109-97, и вызванных, в частности, искажениями синусоидальности кривой напряжения.
Ранее на тяговых подстанциях и электровозах учет электрической энергии производился с помощью индукционных счетчиков, морально устаревших, выработавших свой ресурс и имеющих значительную погрешность, обусловленную не только их конструкцией, но и некоторой особенностью системы тягового электроснабжения переменного тока. Известны случаи, как недоучета, так и переучета электрической энергии в тяговой сети вследствие наличия подстанций с обратным порядком чередования фаз и присоединением фазы «С» на низкой стороне к рельсу [48].
Используемые в настоящее время на электровозах переменного тока сети железных дорог электронные счетчики электрической энергии различных типов Ф440, Ф442 допускают существенные неточности в измерениях. К одной из неточностей относится наличие разности между показаниями счетчика электрической энергии при наличии в контактной сети переменного тока высших гармонических составляющих и его же показаниями в случае, ко 51 гда в сети имеется только первая (основная) гармоника 50 Гц и нет искажений кривых напряжения и тока. Эту разность между показаниями счетчика нельзя назвать погрешностью счетчика, но потребитель считает, что показания счетчика соответствуют значениям полезной активной энергии первой гармоники, и по ним осуществляет оплату. В действительности счетчик выдает показания, соответствующие значениям потребленной (отпущенной) электрической энергии с учетом высших гармонических составляющих напряжения и тока в питающей сети, которые отрицательно влияют на работу силового оборудования, устройств релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи потребителей и системы электроснабжения [11].
Принцип измерения электрической энергии электронным счетчиком основан на использовании широтно-импульсного и амплитудно-импульсного преобразования напряжения и тока. В основе его работы применяется двойная модуляция, преобразующая измеряемую энергию в импульсный код с последующим интегрированием и запоминанием числа импульсов, соответствующих количеству активной энергии. Графическая интерпретация математического описания принципа измерения электрической энергии электронным счетчиком представлена на рисунке 2.1.
Входное напряжение, пропорциональное напряжению измеряемой цепи, в широтно-импульсном модуляторе (ШИМ) преобразуется в последовательность импульсов прямоугольной формы, в которой разность между длительностями импульсов и пауз несет информацию о величине входного напряжения. Так как частота генератора пилообразного напряжения ШИМ на несколько порядков больше частоты измеряемого напряжения, то в ШИМ интегрируется реальная кривая напряжения со всеми характерными для нее искажениями. Амплитудно-импульсный модулятор (АИМ) и последующий ШИМ производят преобразование напряжения, пропорционального току, в импульсы и их последующее перемножение [15, 48].
Разработка математической модели автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества на электровозах переменного тока
В настоящее время учет электрической энергии потребителями железной дороги в системе тягового электроснабжения не соответствует требованиям качества, которые предъявляются в системах электроснабжения промышленных предприятий и коммунального хозяйства. Существует проблема «условных» потерь электрической энергии в тяговой сети. Разность в показаниях счетчиков электрической энергии на тяговых подстанциях и электровозах нельзя объяснить только потерями в контактной сети. Одной из причин значительной величины «условных» потерь электрической энергии является несовершенство системы тягового электроснабжения для организации коммерческого учета на тяговых подстанциях. Другой причиной является несовершенство измерительной системы расхода электрической энергии на электровозах переменного тока.
Для оценки экономии при внедрении энергосберегающих технологий необходимы средства измерения, принцип работы которых основан на регистрации мгновенных значений электрических параметров, характеризующих работу электровоза, и дальнейшей их обработке. Таким требованиям удовлетворяют средства измерения, построенные на основе микропроцессоров. Они имеют электронную память, дисплей для отображения информации, возможность измерять в одном блоке потребление и возврат электроэнергии, что позволит сократить количество счетчиков на электровозах с рекуперативным торможением. Здесь используется математическая модель измерения активной электрической мощности, реализованная по нормативным и методическим документам по измерению, коммерческому и техническому учету электрической энергии и мощности, которая представляет собой среднюю за период времени измерения Т скорость перехода энергии электромагнитного поля в другие виды энергии (в частности, в механическую энергию движения электровоза с поездом) при любых формах кривых напряжения и тока где u{t) и i\t) - функции кривых напряжения и тока любой формы; т - количество замеров за интервал времени Г, кратный периоду питающего напряжения.
При цифровой обработке мгновенных значений сигналов тока и напряжения значение мощности усредняется по нескольким периодам промышленной частоты. Приращение активной электроэнергии за некоторый интервал времени рассчитывается путем численного интегрирования активной мощности за данный интервал.
Вследствие нелинейности нагрузки (электровоза) контактной сети u\t) и i\t) несинусоидальны и можно говорить о наличии высших гармонических составляющих в контактной сети, тогда токи и напряжения могут быть представлены в виде ряда Фурье.
Разложение в ряд Фурье периодических кривых произвольной формы производят графическим (графо-аналитическим) способом, который основан на замене определённого интеграла суммой конечного числа слагаемых. С этой целью период функции f{x) = f(cot) (кривой тока или напряжения), равный 2п, разбивается на т равных частей Ал: и интегралы заменяются суммами. Кривую напряжения произвольной (несинусоидальной) формы представим в виде ряда Фурье [14]:
Экспериментальные исследования разработанных технических решений по измерению расхода и показателей качества электрической энергии на электровозе
Для оценки разработанных технических решений по измерению расхода и показателей качества электрической энергии, потребляемой электровозами на тягу поездов, необходимо было проверить их работу на электровозе в условиях реальной эксплуатации. Кроме того, экспериментальные исследования работы технических средств необходимы для сравнения результатов математического моделирования с реальными процессами в электровозе.
Надо учесть, что необходимость точного моделирования форм тока и напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза обусловлена тем, что погрешность при моделировании сильнее всего влияет на показатели качества электроэнергии в тяговой сети. Для выполнения этой цели схемы замещения участка контактной сети и силовых цепей электровоза должны достаточно точно моделировать не только средние значения тока и напряжения электровоза, но также и их мгновенные значения.
Созданная обобщенная математическая модель системы «контактная сеть - электровоз» объединяет в своем составе разработанные в п. 3.2 отдельные математические модели подстанции переменного тока, участка тяговой сети, силового трансформатора, выпрямительного преобразователя, цепи выпрямленного тока электровоза и системы учета расхода и контроля качества электрической энергии на электровозах переменного тока.
Основным требованием к созданной обобщенной математической модели является то, что электромагнитные переходные и установившиеся процессы, происходящие в модели, должны быть адекватны реальным процессам на электровозе и в контактной сети.
С целью определения достоверности процессов работы созданной модели системы «контактная сеть - электровоз» на Дальневосточной железной дороге в ноябре 2007 года были проведены экспериментальные поездки. Измерения электрических величин в ходе экспериментальных исследований производились на электровозе ВЛ80Р № 1513 с поездами на участке Артем-3 - Партизанск - Смоляниново Дальневосточной железной дороги - филиала ОАО «РЖД» (см. рисунок 4.5). Структура макетного образца автоматизированной системы учета электрической энергии и контроля ее качества, который был установлен на электровозе ВЛ80Р № 1513, описана в п.п. 4.2 данной главы.
- Электровоз ВЛ80Р № 1513, оснащенный автоматизированной системы учета расхода и контроля качества электрической энергии
Контрольными точками при проведении измерений токов и напряжений электровоза переменного тока являлись:
1. конец X первичной обмотки тягового трансформатора электровоза;
2. кабель соединения сглаживающего реактора и якоря тягового двигателя;
3. клеммы вторичной обмотки возбуждения тягового трансформатора с номинальным напряжением 270 В (напряжение цепей выпрямительной установки возбуждения);
4. положительная и отрицательная шина выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза. Напряжение в длительном режиме в контрольной точке 4 фиксируется датчиком напряжения типа CV 3-2000 (ДН2).
Ток, протекающий в длительном режиме в контрольной точке 1, фиксируется датчиком тока LT 300-Т (рисунок 4.6).
