Введение к работе
Актуальность. В «Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу 2020 года», разработанной Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта, отмечается необходимость снижения энергоемкости перевозочного процесса и удельных затрат на энергопотребление в сфере тяги и улучшения тягово-энергетических характеристик локомотивов за счет модернизации эксплуатируемого парка тягового подвижного состава путем перехода на коммутационное электрооборудование на основе силовых полупроводниковых приборов.
В комплексной программе «Реорганизация и развитие отечественного локомотиво- и вагоностроения на период 2001-2010 гг.» предусматривается при создании нового и модернизации эксплуатируемого подвижного состава улучшение на 15-20% тяговых свойств, повышение коэффициента готовности за счет обеспечения высокой надежности и ремонтопригодности, снижение на 10-15% расхода электроэнергии.
Технические средства железнодорожного транспорта
характеризуются высокой степенью физического износа, что обуславливает дополнительные затраты на эксплуатацию и ремонт электрического подвижного состава. Одной из причин неудовлетворительного технического состояния электровозного парка, ведущей к увеличению отказов тяговых двигателей на многих дорогах страны, является полная или частичная разукомплектованность локомотивов индуктивными шунтами. Например, в локомотивном депо Кандалакша Октябрьской железной дороги недостает 184 шунта для 23 электровозов переменного тока ВЛ80С (ВЛ80Т).
Применение электронных систем ослабления возбуждения электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями пульсирующего тока позволяет:
лучше реализовать использование мощности тяговых машин;
снизить вероятность коммутационных перегрузок тяговых двигателей при возникновении нестационарных режимов работы за счет высокого быстродействия электронных ключей;
- достаточно просто согласовать схемы электровоза (силовую и
управления);
- уменьшить стоимость устройства регулирования возбуждения.
Целью работы является обоснование целесообразности и возможности замены индуктивного шунта в системе ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока силовыми полупроводниковыми приборами.
Для решения поставленной задачи необходимо:
Произвести анализ существующих систем ослабления возбуждения электрического подвижного состава постоянного и переменного токов;
Обосновать вид полупроводникового прибора с учетом его параметров и степени влияния на характеристики электровоза в режиме ослабленного возбуждения;
Выполнить экспериментальные исследования нестационарных процессов в схеме электровоза с безындуктивными шунтами;
Разработать математическую модель для оценки особенностей систем ослабления возбуждения тяговых двигателей.
Методика исследований. В диссертационной работе использовались методы расчета электрических цепей, экспериментальные исследования и математическое моделирование с помощью компьютерных программ MatLab, Simulink.
Достоверность основных теоретических положений и работоспособность предложенных технических решений подтверждена результатами экспериментальных исследований макетных образцов на лабораторном стенде, на испытательной станции локомотивного депо и на электровозе переменного тока в локомотивном депо Кандалакша Октябрьской железной дороги.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложен алгоритм управления электронным ключом в нестационарных режимах, позволяющий осуществить переход на нормальное возбуждение с отключением резистора, включенного параллельно обмотке возбуждения при достижении коэффициентом регулирования возбуждения минимальной заданной величины, что снижает вероятность возникновения кругового огня по коллектору при значительных бросках напряжения;
Показано, что применение безындуктивных шунтов на основе однооперационных тиристоров ограничено коммутационными параметрами (напряжение и емкость конденсатора) и соотношением падения напряжения на обмотке возбуждения тягового двигателя и порогового напряжения тиристора;
Для повышения коммутационной способности тиристорного ключа с одновременным поддержанием послекоммутационного напряжения на уровне э.д.с. вращения двигателя рекомендуется подключать конденсатор к обмотке якоря и шунтировать ее обратным диодом;
Сравнение систем регулирования возбуждения на основе индуктивного шунта и полупроводникового ключа показало преимущество последней по быстродействию, массе, габаритам и стоимости.
Практическая ценность. Разработан безындуктивный шунт на основе IGBT-модуля для электровозов переменного тока ВЛ80С, ВЛ80Т;
Рекомендованы в качестве перспективной элементной базы для безындуктивных шунтов электровозов переменного тока транзисторы типа MOSFET.
Реализация и внедрение результатов работы: разработан и изготовлен электронный шунт на IGBT модуле для электровозов переменного тока ВЛ80С (ВЛ80Т).
Апробация работы: диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2007, 2008 и 2009 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее», Санкт-Петербург, ПГУПС в 2006, 2007, 2008, 2009 годах; международных симпозиумах «El'trans' 2007, 2009», СПб, ПГУПС, 2007, 2009; Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития». - Екатеринбург, УрГУПС, 2008; международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. -Хабаровск, ДВГУПС, 2008, международной конференции «Современные технологии - транспорту», СПб, ПГУПС, 2009.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, из них 1 публикация в издании, которое входит в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 163 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (113 наименований) и 5 приложений. В работе 34 таблицы и 105 рисунков.
