Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА 11
1.1 Анализ способов и средств повышения коэффициента мощности
электровозов 12
Секторное регулирование выпрямленного напряжения на электровозах с плавным регулированием напряжения 12
Компенсированный многозонный выпрямитель 14
Выпрямитель с импульсно-фазовым регулированием 16
Гибридный компенсатор реактивной мощности электровоза переменного тока 19
Одновременная коммутация в малых короткозамкнутых контурах выпрямителя 21
1.2 Постановка цели и задач исследования 24
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ
ОСНОВНОЙ КОММУТАЦИИ ТОКА ВЕНТИЛЕЙ
ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ 28
2.1 Анализ публикаций в области коммутации тока вентилей вы
прямителей 28
Анализ публикаций в области коммутации тока вентилей однофазного выпрямителя 28
Анализ публикаций в области коммутации тока вентилей многозонных выпрямителей 29
2.2 Основная коммутация тока вентилей в режиме однозонного и
многозонного выпрямителей 30
Основная коммутация тока вентилей в режиме однозонного выпрямителя 30
Основная коммутация тока вентилей в режиме многозонного выпрямителя 44
3 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЗОННЫМ
ВЫШ»ЖЖге71ШгеМАЛЫМИ ВБЖ4ЧтАйНУГЯАлХ(>-~^ 56
3.1 Разработка способа управления выпрямителем с поочерёдной
коммутацией путём слежения за потенциальными условиями от
крытия вентилей плеч на всех зонах по уставке первой зоны 56
Расчёт минимального угла открытия вентилей aomin при синусоидальном значении напряжения контактной сети и организации поочерёдной коммутации выпрямителя 58
Расчёт минимального угла открытия вентилей выпрямителя с поочерёдной коммутацией при искаженном напряжении контактной сети, вызванном наличием других электровозов на фидерной зоне 62
Расчет коэффициента мощности выпрямителя с поочерёдной коммутацией при слежении за потенциальными условиями открытия плеч вентилей на всех зонах по уставке первой зоны 65
Разработка способа управления выпрямителем с одновременной коммутацией путём слежения за потенциальными условиями открытия плеч вентилей на всех зонах по уставке первой зоны ... 67
Разработка способа управления выпрямителем с малыми величинами угла cto путём применения разрядного диодного плеча, включённого параллельно цепи выпрямленного тока 69
Сравнение коэффициентов мощности четырёхзонных выпрямителей, управляемых предлагаемыми способами управления 76
4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ ОСНОВНОЙ КОММУТАЦИИ ТОКА ВЕНТИЛЕЙ МНОГОЗОННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С НОВЫМИ СПОСОБАМИ УПРАВЛЕНИЯ .. 81
Методика математического моделирования электромагнитных процессов основной коммутации многозонного выпрямителя .... 81
Математическая модель силовых цепей электровоза 88
Математическая модель тягового трансформатора электровоза ... 88
Математическая модель выпрямителя 96
Математическая модель цепи выпрямленного тока с разрядным диодным плечом 99
Методика моделирования электромагнитных процессов многозонного выпрямителя с одновременной коммутацией с применением разрядного диодного плеча 101
Выбор критериев сравнения различных способов управления многозонным выпрямителем 104
Сравнительное исследование эффективности работы многозонного выпрямителя с различными способами управления по результатам расчёта на математической модели 107
Построение диаграмм электромагнитных процессов работы вы
прямителя с организацией поочередной коммутации тока на мо
дели электровоза с do = 9 эл. град 109
Построение диаграмм электромагнитных процессов работы вы
прямителя с организацией одновременной коммутации тока на
модели электровоза с уменьшенными углами а0 = 3 эл. град 109
Построение диаграмм электромагнитных процессов работы вы
прямителя с организацией одновременной коммутации тока с
применением разрядного диодного плеча на модели электровоза
с а0 = 3 эл. град „ ПО
РАЗРАБОТКА СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ
ЧЕТЫРЁХЗОННЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ
ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПЛАВНЫМ
РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ТЕХНИКО-
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 131
Разработка устройств управления в БУВИП-133 и 030 электровозов ВЛ85 и ВЛ65 для реализации новых способов управления 131
Разработка схемотехнических решений кассеты БРУЗ-089 для
реализации уменьшенных начальных углов открытия а0 тири
сторов выпрямителя 134
Разработка схемотехнических решений кассет БПН-061 и БРУ-
552 БУВИП-133(030) для реализации одновременной коммута
ции вентилей выпрямителя с применением разрядного диодного
плеча, включённого параллельно цепи выпрямленного тока 138
Результаты испытаний электровоза ВЛ85 в режиме тяги с новы
ми способами управления выпрямителем 141
Проверка адекватности электромагнитных процессов в модели и
электровозе при различных способах управления 149
Технико-экономическая оценка эффективности разработанных
устройств управления, повышающих коэффициент мощности
электровозов 153
Общие выводы по результатам работы 160
Библиографический список 161
Приложения 169
Введение к работе
Применение тиристоров в полупроводниковых выпрямителях дало возможность создать бесконтактные многозонные силовые схемы, позволяющие плавно регулировать в пределах зоны напряжение на тяговых двигателях путем изменения по фазе момента отпирания соответствующих плеч выпрямителя на электровозах типа ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 и ЭП1. Широкое применение многозонных выпрямителей требует разработки технических решений по повышению энергетических показателей электровозов в различных режимах. Накопленный опыт использования тиристорных выпрямителей и их систем управления позволил добиться по ряду показателей достаточно эффективной эксплуатации электровозов в режиме тяги. В то же время не все решения повысили эффективную работу по сравнению с электровозами без тиристорных выпрямителей.
В первой главе работы проанализированы способы и средства повышения энергетических показателей современных электровозов однофазно-постоянного тока. Эксплуатация этих электровозов происходит с недостаточно высоким коэффициентом мощности Км в режиме тяги. В номинальном режиме работы электровоза ВЛ85 Км не превышает значения 0,84, что объясняется величиной угла сдвига фаз ф между напряжением и током в первичной обмотке тягового трансформатора. Величина угла ф вызывается достаточно большими величинами нерегулируемого угла ОСо отпирания тиристоров
выпрямителя и угла у естественной коммутации тока. Величина угла ОС0 не ниже 9 эл. град, продиктована необходимостью сохранения нормальных потенциальных условий на анодах вентилей при изменении и искажении напряжения контактной сети. Величина угла у обусловлена значительной токовой нагрузкой электровозов и наличием поочерёдной коммутации тока вентилей в четырёхзонном выпрямителе современных электровозов, приводя-
щей к увеличению эквивалентного индуктивного сопротивления цепи переменного тока.
Низкий коэффициент мощности повышает затраты электроэнергии на тягу поездов. Так, ежегодные финансовые затраты на приобретение тягово-энергетических ресурсов по всем составляющим имеют увеличенную динамику и составляют в целом по сети 60 млрд. руб. (2003 г.), из которых непосредственно на тягу поездов расходуется 72,2 %. Это обуславливает актуальность и экономическую значимость проблемы.
Одним из путей решения этой проблемы является применение одновременной коммутации тока вентилей и разрядного диодного плеча в цепи выпрямленного тока. Это позволяет улучшить потенциальные условия включения тиристоров и уменьшить эквивалентное индуктивное сопротивление цепи переменного тока выпрямителя, что ведёт в целом к повышению коэффициента мощности электровоза.
Во второй главе исследованы электромагнитные процессы основной коммутации тока вентилей выпрямителей электровозов. Проведен анализ публикаций в области коммутации тока вентилей однофазного и многозонного выпрямителей с поочерёдной и с одновременной коммутацией.
Анализ выполненных исследований в области процессов коммутации многозонного выпрямителя позволил выявить недостатки выпрямителя с поочерёдной коммутацией и их частичное устранение с помощью применения одновременной коммутации. Суть одновременной коммутации заключается в организации одновременного начала коммутации в нескольких малых контурах преобразователя путем одновременного включения не только однофазных и противофазных плеч предшествующей зоны, но и плеч всех отработавших ранее зон регулирования.
В диссертации за основу работы выпрямителя во время коммутации принимается организация (способ управления) одновременной коммутации тока тиристоров в нескольких малых контурах. Благодаря такому способу управления улучшаются потенциальные условия включения тиристоров и уменьшается эквивалентное индуктивное сопротивление цепи переменного
7 тока выпрямителя. Улучшение потенциальных условий позволяет значительно уменьшить угол сс0 ниже 9 эл. град, и довести его до величины 3 эл. град., а уменьшение эквивалентного индуктивного сопротивления снижает длительность угла у, что ведёт в целом к повышению коэффициента мощности выпрямителя.
В третьей главе предложен способ повышения коэффициента мощности электровоза путем уменьшения минимальной величины угла а0 на 2, 3 и 4-ой зонах регулирования с помощью слежения за потенциальными условиями открытия вентилей плеч по уставке первой зоны. Проведённые расчёты минимальных углов Otmin подтвердили наличие избыточных потенциальных условий на тиристорах выпрямителя и, следовательно, завышение минимального угла открытия тиристоров на каждой зоне регулирования до amjn = 9 эл. град., которое реализуется в настоящее время на современных электровозах ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 и ЭШ. Результаты этих исследований показывают, что дальнейшее повышение коэффициента мощности электровоза переменного тока лежит на пути уменьшения величины нерегулируемого минимального угла открытия тиристоров выпрямителя и ускорения процесса коммутации. Для решения этих задач, помимо слежения за потенциальными условиями открытия тиристоров, предлагается в схему четырёхзонного выпрямителя дополнительно включить диодное плечо, присоединённое катодом к плюсовой, а анодом - к минусовой шине выпрямителя. Наличие разрядного диодного плеча в многозонном выпрямителе несколько меняет в нём коммутационные процессы, особенно при применении одновременной коммутации тока тиристорных плеч.
Введение диодного плеча вследствие образования через него буферного контура разряда запасённой в нагрузке электромагнитной энергии вызывает
уменьшение угла сдвига фаз ф, что приводит к снижению потребления выпрямителем реактивной энергии и повышению его коэффициента мощности, улучшению гармонического состава его тока и напряжения, снижению удельного расхода электрической энергии на тягу поездов.
8 Таким образом, в диссертационной работе автор предложил два способа
управления многозонным выпрямителем с малыми величинами углов ао:
способ управления выпрямителем путём слежения за потенциальными условиями открытия плеч вентилей на всех зонах по уставке первой зоны;
способ управления выпрямителем путём применения разрядного диодного плеча, присоединённого катодом к плюсовой, а анодом - к минусовой шине выпрямителя.
В четвёртой главе разработана методика математического моделирования электромагнитных процессов основной коммутации многозонного выпрямителя и математическая модель силовых цепей электровоза. Выполнены сравнительные исследования эффективности работы многозонного выпрямителя с различными способами управления по результатам расчётов на математической модели.
В пятой главе приведены результаты испытаний с новыми способами управления выпрямителем электровозов ВЛ85 и ВЛ65 в режиме тяги, разработаны схемотехнические решения, позволяющие реализовать предлагаемые способы управления на современных отечественных электровозах однофазно-постоянного тока. Для внедрения предлагаемых способов управления были выполнены некоторые изменения и дополнения в определённые кассеты блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем (БУВИП) электровозов ВЛ85 и ВЛ65.
Выполнена проверка адекватности математической модели с оценкой энергетических показателей электромагнитных процессов в модели и в электровозе при различных способах управления. Выполнен расчёт технико-экономической оценки эффективности разработанных устройств управления, повышающих коэффициент мощности электровозов.
Таким образом, диссертационная работа представляет собой решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения энергетических показателей электровозов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
теоретически и экспериментально обосновано, что в многозонных выпрямителях имеется возможность уменьшения минимального угла открытия вентилей и длительности коммутации за счёт слежения за потенциальными условиями открытия плеч вентилей на всех зонах по уставке первой зоны и применения разрядного диодного плеча;
получены уточнённые формулы для расчёта коэффициента мощности многозонного выпрямителя электровоза при одновременной коммутации выпрямителя с применением разрядного диодного плеча;
доказано, что при использовании диодного плеча, включённого параллельно цепи выпрямленного тока, происходит повышение среднего выпрямленного напряжения выпрямителя и уменьшение угла сдвига фаз ф между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора, что обеспечивает повышение коэффициента мощности электровоза;
разработана обобщённая математическая модель силовых цепей электровоза с диодным разрядным плечом в режиме тяги, позволившая провести исследования процессов коммутации многозонного выпрямителя;
разработан способ управления выпрямителем с одновременной коммутацией и разрядным диодным плечом первой зоны регулирования;
разработан способ слежения за потенциальными условиями открытия вентилей плеч на всех зонах по уставке первой зоны.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в том, что:
включение в схему четырёхзонного выпрямителя разрядного диодного плеча параллельно цепи выпрямленного тока позволило повысить коэффициент мощности электровоза в среднем на 5,7 %;
модернизированы и испытаны опытные кассеты БПН-061, БРУЗ-089 и БРУ-552 БУВИП-133 и 030 электровоза ВЛ85 и ВЛ65, позволившие реализовать предлагаемые способы управления выпрямителем;
за счёт предлагаемых способов управления четырёхзонным выпрямителем в процессе испытаний электровозов ВЛ85 на участке Улан-Удэ - Тим-люй ВСЖД получено снижение расходов электрической энергии тяговыми двигателями в среднем на 4,8 %.
10 Апробация работы:
-на региональной научно-практической конференции, СГУПС, 27-29
ноября 2002 года;
на третьей международной научной конференции творческой молодёжи, ДВГУПС, 15-17'апреля 2003 года;
на международной научно-технической конференции «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона», Комсомольск-на-Амуре, 23-27 сентября 2003 года;
на восьмой Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромашинных преобразователей энергии», Омск, 28-31 октября 2003 года;
на международной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда», Иркутск, 29-31 марта 2004 года;
-на второй Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики и энергоресурсосбережение», Самара, 18-20 мая 2004 года;
- на заседании расширенного семинара электромеханического факульте
та ИрГУПСа, Иркутск, 21 сентября 2004 года;
- на заседании межкафедрального научно-технического семинара ДВГУПС, Хабаровск, 29 сентября 2004 года;
- осуществлена защита патентоспособности изобретения «Многозонный
выпрямитель однофазного переменного тока» № 2003117287/09 (018350) от
09 июня 2003 года.
Публикации. По теме диссертации имеется 10 публикаций, из которых 9 научных статей и тезисы доклада на научной конференции.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 97 наименований, 6 приложений и содержит 168 страниц основного текста, 16 таблиц и 66 рисунков.
