Введение к работе
Актуальность работы. Для открытого акционерного общества «Российские железные дороги» разработаны стратегические направления научно-технического развития на период до 2015 года («Белая книга» ОАО «РЖД»), утвержденные приказом № 964 от 31 августа 2007 года. Приоритетными задачами стали разработка и внедрение более совершенных технологий, направленных на повышение надёжности работы электрооборудования тягового подвижного состава. В этой стратегии вопрос повышения качества электроэнергии в системе электроснабжения занимает первое место, так как напрямую от качества электрической энергии зависит эксплуатационный ресурс технических средств всего железнодорожного хозяйства. В связи с возрастающим грузооборотом и пассажирооборотом магистральных железных дорог переменного тока, к качеству электрической энергии предъявляются все более жесткие требования. Это связано с установленной согласно ГОСТ-13109-97 системой сертификации качества электроэнергии как объекта, влияющего на технический ресурс технических средств народного хозяйства.
В настоящее время в эксплуатационную практику электрических железных дорог ряда стран внедрены электровозы с асинхронным приводом. Несмотря на неоспоримые преимущества этих электровозов по сравнению с современными отечественными выпрямительными электровозами (например, 2ЭС5К, ЭП1, ЭП1П и др.), последние еще долгие годы будут оставаться на Российских железных дорогах. Поэтому вопросы оптимального управления работой выпрямительно-инверторных преобразователей данных электровозов, будут оставаться актуальными.
Особенности работы тиристорных преобразователей электровозов влияют на показатели качества электрической энергии в тяговой сети. Высокочастотные послекоммутационные колебания рождаемые электровозом могут приводить к сбоям в работе его систем управления, зачастую нарушается синхронизация электронного оборудования с сетью, что приводит к броскам тока тяговых электрических двигателей (ТЭД). При значительных токовых нагрузках качество электроэнергии в тяговой сети снижается ещё больше, хотя как раз в этот момент электровозу требуется устойчивая работа. В дополнение, низкое качество электрической энергии приводит и к сокращению срока службы изоляции электрических машин и аппаратов, к нарушению работы СЦБ, АЛСН, релейной защиты, автоматики, телемеханики и др.
Одним из путей решения этой проблемы является применение на электровозах переменного тока одновременной коммутации тока тиристорных плеч и разрядного диодного плеча подключённого параллельно цепи выпрямленного тока, а также способ разнофазного управления предложенный Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ).
Целью работы являлась разработка нового способа и устройства повышения качества электрической энергии на токоприемнике электровоза переменного тока с плавным регулированием напряжения.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
– выполнен анализ существующих способов и средств повышения качества электрической энергии в тяговой сети и энергетических показателей при работе электровозов переменного тока;
– разработан комплексный метод снижения влияния работы электровозов переменного тока на качество электрической энергии в тяговой сети и устройство, реализующее этот метод (адаптивную систему разнофазного управления и модифицированный блок распределительного устройства);
– осуществлено сравнительное имитационное моделирование типовых и предлагаемых способов управления на модели «тяговая подстанция – тяговая сеть – электровоз», реализованной в программном комплексе «OrCAD 9.2»;
– проведены лабораторные и эксплуатационные исследования предлагаемого способа в различных режимах работы и определена сходимость результатов теоретических исследований по принятым критериям сравнения;
– определены количественные показатели, подтверждающие эффективность предлагаемого способа управления и оценена экономическая эффективность внедрения результатов исследований на производстве.
Методы исследований. Сравнительный математический анализ электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза, при различных способах управления. Имитационное моделирование электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза и устройствах управления на ЭВМ. Лабораторные исследования предлагаемых способов управления на экспериментальном стенде на базе ИрГУПС, для оценки работы адаптивной системы разнофазного управления выпрямителями. Экспериментальные исследования устройства адаптивного разнофазного управления при проведении испытаний на электровозе ВЛ80Р на полигоне Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) – филиала ОАО «РЖД».
Научная новизна заключается в следующем:
– разработан способ адаптивного разнофазного управления многозонными тиристорными выпрямителями путем использования метода многополосной цифровой фильтрации с определением максимальной по амплитуде гармоники напряжения, по которой создается управляющее воздействие в систему регулирования;
– разработан способ организации двухконтурной одновременной коммутации многозонным тиристорным выпрямителем при использовании разрядного диодного плеча;
– уточнены формулы для расчёта коэффициента мощности многозонного тиристорного выпрямителя электровоза в режиме тяги при реализации способов двухконтурной одновременной коммутации с применением разрядного диодного плеча и способа адаптивного разнофазного управления.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
– разработана и внедрена на опытном электровозе ВЛ80Р № 1829 адаптивная система разнофазного управления (АРФУ-001), позволяющая осуществлять задержку подачи регулируемых импульсов управления на группу выпрямителей, что значительно снижает величину свободных высокочастотных колебаний напряжения в тяговой сети, а также уменьшает провал этого напряжения во время коммутации;
– разработана и внедрена на опытном электровозе ВЛ80Р № 1829 модернизированная кассета блока распределительного устройства БРУ-М (БУВИП-133) для реализации способа двухконтурной одновременной коммутации, что снижает длительность коммутации тока в тиристорных плечах выпрямителя;
– разработан учебный имитационный стенд адаптивной системы разнофазного управления на базе лаборатории «Электрооборудование ЭПС» ИрГУПС, позволяющий наглядно оценить эффект от применения разработанной адаптивной системы разнофазного управления;
– разработано дополнение к руководству ОАО «РЖД» по техническому обслуживанию и текущему ремонту электровозов переменного тока ВЛ80Р с адаптивной системой разнофазного управления;
– издано учебное пособие «Методы и средства повышения качества электрической энергии в контактной сети при работе электровозов переменного тока», изданное в ГОУ ВПО «ИрГУПС».
Реализация результатов работы:
– на Восточно-Сибирской железной дороге (ВСЖД) введён в эксплуатацию опытный электровоз ВЛ80Р № 1829, оборудованный устройством адаптивной системы разнофазного управления и модифицированной кассетой БРУ-М БУВИП-133;
– разработана конструкторская документация на предложенные технические решения, направленная на предприятия Дирекции тяги ВСЖД – филиала ОАО «РЖД» и Восточно-Сибирской Дирекции по ремонту тягового подвижного состава – филиала ОАО «РЖД».
Основные положения, выносимые на защиту:
– способ адаптивного разнофазного управления многозонными тиристорными выпрямителями (по углу регулирования р) при организации двухконтурной одновременной коммутации тока в плечах многозонного выпрямителя с применением диодного разрядного плеча в цепи выпрямленного тока;
– технические решения, реализующие предлагаемые способы управления многозонным тиристорным выпрямителем с адаптивным разнофазным управлением и двухконтурной одновременной коммутацией с разрядным диодным плечом;
– результаты теоретических и экспериментальных исследований по уменьшению искажения напряжения в тяговой сети.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на 6 международных, 4 всероссийских и 3 региональных научных конференциях, отраженных в списке публикаций. Материалы диссертации также доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедр: «Тяговый подвижной состав» РОАТ (11 марта 2010 г.), «Электроподвижной состав» ИрГУПС (2009-2011 гг.), «Электротехника, электроника и электромеханика» ДВГУПС (24 июня 2010 г.), «Электроподвижной состав» ДВГУПС (21 февраля 2011 г.).
Публикации и личный вклад автора. Всего Ю.В. Газизовым опубликовано 48 печатных трудов. Основное содержание диссертации опубликовано в
20-ти печатных трудах. Без соавторов – 6 статей, 4 статьи опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Подана заявка на изобретение «Способ снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза и устройство для его осуществления» № 2009109459 от 16 марта 2009 года. Подана заявка на изобретение «Способ повышения энергетических показателей электровозов переменного тока с тиристорными преобразователями» № 2009106315 от 24 февраля 2009 года.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из 120 наименований, объем основного текста 205 страниц, включая 19 таблиц, 108 рисунков и пять приложений.
