Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.1 Коэффициент мощности (качество электроэнергии) 15
1.1.1 Система фазового регулирования 22
1.1.2 Система секторного регулирования 23
1.1.3 Система импульсно-фазового регулирования 25
1.1.4 Система зонно-фазового регулирования 26
1.2 Применение пассивных компенсаторов. 33
1.2.1 Анализ работы пассивного компенсатора 43
1.3 Применение активных компенсаторов 44
1.4 Применение гибридных компенсаторов 51
1.5 Выводы по главе 1 54
Глава 2. Пути повышения коэффициента мощности электровоза 56
2.1 Обоснование места подключения компенсатора в системе «Тяговая подстанция-контактная сеть-электровоз» 56
2.1.1 Расположение компенсатора на тяговой подстанции 58
2.1.2 Расположение компенсатора на участках тяговой сети 63
2.1.3 Расположение компенсатора на борту электровоза
2.2 Применение активных и гибридных компенсаторов на электровозе .73
2.3 Необходимость совершенствования системы управления компенсатором
2.3.1 Требования к системе управления 80
2.3.2 Основные подходы к управлению 4qS преобразователем 85
2.4 Выводы по главе 2 94
Глава 3. Разработка алгоритма наблюдаемой системы управления гибридным компенсатором с улучшенной системой идентификации сигнала сети з
3.1 Способы определения параметров контактной сети и 4q-S преобразователя .97
3.1.1 Преобразование Фурье...- .-98
3.1.2 Вейвлет-преобразование 100
3.1.3 Преобразование Гильберта-Хуанга 102
3.1.4 Преобразование во вращающиеся синхронные d-q координаты 105
3.2 Выводы по главе 3. 120
Глава 4. Анализ экспериментальных исследований в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» 122
4.1 Моделирование системы «тяговая подстанция - контактная сеть - элек тровоз» 4.2 Анализ результатов расчетов - проверка адекватности математической модели 135
4.3 Выводы по главе 3 154
Заключение.
Основные выводы... 157
Список используемой литературы 160
- Система фазового регулирования
- Применение гибридных компенсаторов
- Расположение компенсатора на участках тяговой сети
- Преобразование во вращающиеся синхронные d-q координаты
Введение к работе
Актуальность проблемы. Экономия электроэнергии является одной из приоритетных задач развития железных дорог России. Основная доля потребляемой энергии приходится на электроподвижной состав.
Исходными ориентирами инвестиционного и инновационного развития ОАО "РЖД" до 2030 года в области локомотивостроения является модернизация существующего локомотивного парка с повышением его энергоэкономичности; применения компенсирующих устройств, систем контроля и управления показателями количества и качества потребляемой электроэнергии.
Основными направлениями энергосбережения в перевозочном процессе является внедрение энергооптимальных расписаний движения поездов, установка систем автоведения на локомотивах ОАО "РЖД". Для изучения вопроса энергосбережения были выполнены опытные поездки по участкам со сложным профилем пути. Выяснилось, что опытные машинисты добиваются потребления электроэнергии на уровне с системами автоведения, то есть экономия электроэнергии в количественном аспекте достигает своих пределов.
В то же время, вопрос качества потребляемой из сети электроэнергии остается открытым, в особенности для электровозов переменного тока с плавным зонно-фазным регулированием напряжения: ВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5к, 3ЭС5к и других. Это вызвано наличием выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП), собранного на тиристорах. Потребляется реактивная мощность, которая приводит к искажению формы напряжения и как следствие формы тока сети.
Пониженный коэффициент мощности вызывает увеличение тока, потребляемого электровозом. При этом требуется соответственно повышать типовую мощность трансформатора электровоза; кроме того, возникают дополнительные потери в тяговой сети, понижая к.п.д. системы электрической тяги. Дополнительные искажения формы тока тяговой сети, создаваемые тиристорными преобразователями электровозов, оказывают мешающее влияние на проводные линии связи.
Для того, чтобы повысить коэффициент мощности электровоза, в настоящее время на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, в ряде случаев используются стационарные компенсирующие устройства вдоль участка электроснабжения.
Более эффективным является подключение устройств компенсации непосредственно у потребителя реактивной мощности, то есть на электроподвижном составе.
Традиционно для решения задач регулирования качества электроэнергии применялись тиристорные стабилизаторы напряжения, компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры. Возможность использования силовых электронных устройств в качестве КРМ начала привлекать внимание специалистов (в т.ч. и российских), начиная с середины 70-х годов ХХ-го века. При этом рассматривались статические преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), работающие на базе инвертора напряжения или тока.
Значительный вклад в теорию и практику улучшения энергетики электровозов внесли работы, выполненные Тихменевым Б.Н., Лисицыным А.Л., Кучумовым В.А., Мугинштейном Л.А., Мазнёвым А.С., Плаксом А.В., Покровским С.В., Широченко Н.Н., Ермоленко Д.В., Яновым В.П., Крамсковым С.В., Ротановым Н.А., Феоктистовым В.П., Савоськиным А.Н., Иньковым Ю.М., Мамошиным Р.Р., Тулуповым В.Д., Литовченко В.В, Копаневым А.С., Кулиничем Ю.М., Донским Д.А., Быкадоровым А.Л., Колпахчьяном П.Г. и другими авторами.
В настоящее время состояние элементной базы дает большие возможности построения компенсаторов реактивной мощности.
Однако на сегодняшний день далек от решения вопрос построения эффективного управления активными компенсаторами реактивной мощности, связанный с метода выделения гармонического состава исследуемого сигнала.
Целью работы является повышение тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока с плавным зонно-фазным регулированием напряжения путем применения гибридных компенсаторов реактивной мощности, оснащенных усовершенствованной системой управления, чем достигается увеличение коэффициента мощности.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- выбран тип компенсатора реактивной мощности (КРМ), схема и место его подключения;
- выбран эффективный метод управления активными элементами КРМ;
- построена комплексная компьютерная модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз», включающая в себя участок тяговой сети и системы тягового электроснабжения, схему тягового электропривода электровоза 3ЭС5К и гибридного КРМ;
- определен метод измерения и анализа тока, потребляемого выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП);
- разработана усовершенствованная система управления гибридным компенсатором;
- выполнено компьютерное моделирование, результаты которого были сопоставлены с эксплуатационными замерами;
- выполнено сравнение энергетической эффективности применения активного и гибридного компенсаторов реактивной мощности.
Методы исследований. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы математического моделирования, теоретической электротехники, теории преобразовательных устройств, аналитические и численные методы расчета с применением ЭВМ.
Достоверность результатов. Достоверность исследований и методов расчета проверялась сопоставлением результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований опытного электровоза 3ЭС5К-047.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обоснован тип компенсатора реактивной мощности (КРМ), определены схемные решения и место его подключения в силовой схеме тягового электропривода электровоза.
2. Создана структура и выполнен параметрический синтез системы автоматического регулирования активной части КРМ.
3. Разработан метод идентификации гармонического состава однофазных периодических сигналов с использованием метода вращающихся синхронных d - q-координат;
4. Комплексная математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз», включающая в себя участок тяговой сети и системы тягового электроснабжения, тяговый электропривод электровоза 3ЭС5К с подключенным гибридным КРМ.
5. Результаты анализа электромагнитных процессов в тяговом электроприводе и полученные на их основании рекомендации по разработке активных и гибридных КРМ электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения.
На защиту выносятся:
1. Структура и схемные решения КРМ, подключаемого параллельно искажающей нагрузке на полное напряжение тяговой обмотки трансформатора. В отличие от известных технических решений, предлагается применение на одной секции электровоза пассивных компенсаторов с различными параметрами и скоординированное управление их подключением в зависимости от зоны регулирования ВИП, что снижает токовую нагрузку активной части компенсатора и его массо-габаритные показатели;
2. Структура и параметрический синтез системы автоматического регулирования активной частью КРМ, обладающей повышенным быстродействием;
3. Метод идентификации гармонического состава однофазных периодических сигналов с использованием метода вращающихся синхронных d - q-координат отличается тем, что предложен новый способ определения второй проекции пространственного вектора однофазных напряжений и токов;
4. Комплексная математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз», включающей в свой состав модель участка системы тягового электроснабжения, тяговый электропривод электровоза 3ЭС5К с подключенным гибридным КРМ и позволяющей проводить исследования тягово-энергетических показателей электровоза во всех режимах работы;
5. Результаты анализа процессов в тяговом электроприводе с активным и гибридным КРМ. Установлено минимально необходимое количество компенсируемых гармоник сетевого тока для обеспечения заданного значения коэффициента мощности электровоза, определена частота модуляции активной части компенсатора, получены количественные значения потерь в силовых полупроводниковых приборах активной части КРМ в зависимости от режима работы тягового электропривода электровоза.
Пункты 1, 4 и 5 относятся к специальности 05.22.07, пункты 2 и 3 – к специальности 05.09.03.
Практическая ценность работы: Сформулированы практические рекомендаций по структуре и месту подключения активного и гибридного КРМ, структурному и параметрическому синтезу системы управления активной частью компенсатора. Разработанная математическая модель системы «система тягового электроснабжения - тяговый электропривод электровоза с КРМ» может быть использована для анализа тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения.
Результаты работы применены при разработке гибридных устройств компенсации реактивной мощности для модернизации электровозов с зонно-фазным регулированием: грузовых семейства «Ермак», пассажирских ЭП1 и других.
В случае использования гибридного КРМ, оснащенного предлагаемой системой управления, удается достичь значения коэффициента мощности в пределах 0,95 – 0,98 во всем диапазоне регулирования напряжения.
Реализация полученных результатов. Научно-техническая разработка по совершенствованию КРМ электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения принята как материал для проработки мероприятий по совершенствованию конструкции электровозов 2ЭС5К, 3ЭС5К выпуска 2012-2013 г.г.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на Всероссийских научно-практической конференции «Транспорт-2007» - «Транспорт-2011» (Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, 2007-2011 гг.);
- на научно-технических конференциях «Перспективы развития локомотиво- и вагоностроения России» (Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, 2008-2011 гг.);
- на XXI Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта», Луганск (Украина), 26 - 30 сентября 2011 г.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 13 печатных трудах, в том числе две – в изданиях, входящих в список ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем 168 страниц.
Система фазового регулирования
Решение задач эффективности энергопотребления требует от компании ОАО «РЖД» реализации инновационных ресурсосберегающих технологий на уровне современных мировых стандартов - энергоэффективного подвижного состава, малообслуживаемого оборудования, модернизации системы энергоснабжения [27].
Ресурсосберегающие технологии применяются в локомотивном хозяйстве для обеспечения перевозочного процесса, технического обслуживания, ремонта подвижного состава, управления стационарными энергетическими установками, оборудованием микроклимата и осветительных аппаратов производственных, административных и бытовых помещений [28].
Энергосбережение, как одно из составляющих ресурсосберегающих технологий представляет повышенный интерес.
Основным инновационным энергосберегающим техническим решением на железнодорожном транспорте является переход на преобразовательную технику на основе достижений в области силовых управляемых полупроводниковых элементов и соблюдение установленных показателей качества электроэнергии и потребляемой реактивной мощности на основе применения современных устройств компенсации реактивной мощности, фильтр-устройств, накопителей электроэнергии, систем контроля и управления этими показателями [6].
На сети Российских железных дорог имеются участки со сложным профилем пути. Так на участках Северо-Кавказской железной дороги (СКЖД), электрифицированных на переменном токе (Донецкий бассейн. Северный Кавказ) имеются затяжные подъемы/спуски до 13%о (рисунок 1.1) и наличие кривых малого радиуса (рисунок 1.2) вызывающие дополнительное сопротивление движению поезда [29].
Электрифицированный участок переменного тока питается от тяговой подстанции через силовой трансформатор, который обеспечивает номинальное напряжение в контактной сети 25 кВ. Длина одного энергоучастка примерно 25 км. На участках эксплуатируются преимущественно пассажирские и грузовые поезда. Для изучения вопросов энергосбережения особенный интерес вызывает движение грузового поезда, так как именно этот вид деятельности преобладает на сети дорог.
Опытные поездки Для более детального исследования вопроса снижения энергозатрат были проведены опытные поездки на участках СКЖД Каменоломни-Сулин. Произведен расчет затрат электроэнергии, потребляемой электровозом ВЛ80т-705 после прохождения поезда весом 2860 тонн (брутто) данного уча стка Расход электроэнергии, потребляемой электровозом ВЛ80 на тягу поезда (по расчету) составил 522 кВт ч, показания по счетчику полный расход электроэнергии электровозом составил 780 кВт ч. Разница в показаниях составила 30%, что приходится на потребления электроэнергии вспомогательными машинами (в расчете не учтены). Также по умолчанию коэффициент мощности тяговых двигателей был принят равным единице, что также не соответствует реальным условиям (было обнаружено позднее). Зависимость потребляемой электроэнергии электровозом от его местоположения представлена на рисунке 1.3.
Основными направлениями энергосбережения в перевозочном процессе является внедрение энергооптимальных расписаний движения поездов и установка систем автоведения на локомотивах ОАО "РЖД". Но вместе с этим опыт машиниста, как стало известно, позволяет добиваться экономии электроэнергии на уровне с системами автоведения [30]. После проведенных испытаний, а также после более глубокого изучения проблемы снижения энергозатрат на тягу поездов был обнаружен круг вопросов (не менее важных), касающихся повышения качества потребляемой электроэнергии электровозами.
В значительной степени расход электроэнергии определяется к.п.д. электровоза, причем не только в номинальном, но и во всех режимах, наиболее вероятных в эксплуатации и интегрально определяющих удельные показатели расхода энергии на тягу поездов [31].
К энергетическим показателям электровозов переменного тока относится коэффициент мощности. Коэффициент мощности Яэл? определяется произведением cos ф и коэффициента искажения тока У . Коэффициент искажения равен отношению амплитуды первой гармоники потребляемого тока к действующему значению этого тока и характеризует степень отличия потребляемого тока от синусоиды [14].
Коэффициент мощности характеризует увеличение нагрузки сети и устройств электроснабжения, вызываемое сдвигом тока по фазе относительно напряжения и наличием высших гармоник тока, т.е. искажением его формы [32]. где Яэл - коэффициент мощности электровоза; Р - активная потребляемая мощность, Вт ; S - полная потребляемая мощность, ВА; Q - реактивная потребляемая мощность, ВАр; V = —. коэффициент несинусоидальности потребляемого тока (отношение действующего значения тока первой гармоники к действующему значению первичного тока); cos р - коэффициент, обусловленный сдвигом фаз между первыми гармониками напряжения и тока.
Понижение коэффициента мощности вызывает повышение действующего значения тока, потребляемого электровозом. При этом требуется соответственно повышать типовую мощность трансформатора электровоза; кроме того, возникают дополнительные потери в тяговой сети, понижая к.п.д. системы электрической тяги [31].
На этапе развития электровозов со ступенчатым регулированием силы тяги встал вопрос о повышении плавности хода электровозов. Известно несколько подходов к улучшению энергетических характеристик электроподвижного состава, а именно к плавному регулированию силы тяги: 1) система фазового регулирования; 2) система секторного регулирования; 3) система импульсно-фазового регулирования (система РИФ); 4) система зонно-фазового регулирования (ВИЛ). Одним из первых шагов к достижению плавности хода явилась разработка системы плавного регулирования с так называемым коллекторным регулятором. Были сделаны попытки выполнить сам трансформатор с плавным регулированием вторичного напряжения, применяя роликовые контакты, перекатывающиеся по виткам плоских катушек вторичной обмотки.
Применение гибридных компенсаторов
Традиционными техническими средствами фильтрации высших гармоник в контактной сети является пассивные фильтры, выполняемые на основе конденсаторов и реакторов. Эффективность таких фильтров ограничена следующими основными факторами. Во-первых, они обладают детерминированными частотными характеристиками, в то время как реальный частотный спектр высших гармоник тока или напряжения в контактной сети имеет стохастический и изменяющийся характер. Кроме того, всегда имеются технологические изменения параметров и процессы старения элементов, и частотные характеристики контактной сети (КС) имеют в общем случае недетерминированный характер. В результате этого практически исключается строгая настройка пассивных фильтров. Во вторых, высокая точность настройки и высокая добротность пассивных фильтров, как правило, оказывают негативное влияние на переходные процессы в динамических режимах работы КС, вызывая, например, перенапряжения в сети. Это влияние обусловлено противоречивыми требованиями: с одной стороны - высокой добротности резонансных контуров фильтров, с другой - быстрого затухания свободной составляющей переходных процессов в
Для повышения энергетических показателей, то есть улучшения качества потребления электроэнергии в системе электроснабжения электрифицированных железных дорог используют устройства поперечной емкостной компенсации. Они состоят из последовательного резонансного контура, образованного реактором и батареей конденсаторов. Такие устройства компенсации реактивной мощности устанавливают на постах секционирования на шинах тяговой подстанции переменного тока [12].
Критериями качества электрической энергии в тяговых сетях являются: отклонение и колебание напряжения, нессиметрия и несинусоидальность его. В соответствии с этим и применяемые способы направлены на повышение показателей качества электрической энергии. К ним относится регулирование напряжения на трансформаторах, продольная (последовательная) емкостная и поперечная (параллельная) емкостная компенсация [47].
Регулирование напряжение на трансформаторе путем изменения коэффициента трансформации предполагает применение в системе автоматики элементов, обеспечивающих выдержку-времени, чтобы избежать переключений от случайных кратковременных изменений напряжения. Но как показал опыт устройство регулирования напряжения под нагрузкой заметно увеличивает стоимость трансформатора [47].
На тяговых подстанциях участков однофазного тока нагрузка фаз трансформатора получается неодинаковой. Поэтому было предложено изменять нагрузку пофазно. После выполненных экспериментов заметных эффектов не было достигнуто. Было доказано, пофазное регулирование может быть использовано только при применении на тяговых подстанциях однофазных трансформаторов, в частности, соединенных в открытый треугольник. В этом случае каждая фидерная зона или плечо подстанции питается от своего трансформатора и указанная выше сложность отпадает. Принимая во внимание особенности схемы питания на железной дороге, с параллельной работой подстанций по тяговой сети, в результате неравенство напряжений на вторичной стороне смежных подстанций (неодновременная работа регуляторов) возникает уравнительный ток между подстанциями. Уравнительный ток приведет к перераспределению реактивной составляющей нагрузки, и как следствие распределение активной нагрузки было бы невозможно [47].
Параллельная компенсация реактивной мощности [47].Наличие реактивной мощности, обусловленное протяженностью сетей, большим количеством понижающих трансформаторов и нагрузкой является паразитным фактором. В результате этого:
Коэффициент мощности электровоза зависит от тока нагрузки (выпрями тельного тока Id) и от соотношения индуктивностей в цепи постоянного и пе-ременного тока. Он зависит также от значения напряжения на шинах бесконечной мощности (т.е. в той точке сети, в которой содержание гармоник незначительно). Коэффициент мощности Я на вводах тяговой подстанции представлен в зависимости от двух показателей I_IIKis.q (рисунок 2.2), где 7 _ - среднее значение выпрямленного тока электровоза; 1К - амплитудное значение тока короткого замыкания; q - отношение индуктивностей цепей выпрямленного и переменного тока.
Практически коэффициент мощности на вводах тяговых подстанций переменного тока колеблется в пределах от 0,75 до 0,85. Для повышения коэффициента мощности электрической тяги переменного тока могут быть применены синхронные компенсаторы, конденсаторные батареи, включаемые в сеть параллельно потребителям, так называемая поперечная (параллельная) компенсация (ПИК), питающиеся от системы крупные синхронные двигатели (если по условиям работы их можно использовать в режиме перевозбуждения). На тяговых подстанциях переменного тока используют конденсаторные батареи.
Включение конденсаторной батареи на шинах тяговых подстанций 27,5 кВ создает условия для возникновения резонанса напряжений. В данном случае колебательный контур имеет две параллельные ветви; одна ветвь состоит из индуктивных сопротивлений системы и трансформаторов подстанций, другая образуется индуктивными сопротивлениями тяговой сети и электровозов.
Расположение компенсатора на участках тяговой сети
Совершенствование системы управления гибридным КРМ заключается в создании наблюдаемой системы, которая в режиме реального времени позволяет идентифицировать гармонический состав тока потребляемого искажающей нагрузкой, сформировать управляющие воздействия на элементы активного фильтра, посредством которого будет генерироваться ток заданной формы для компенсации негативного влияния искажающей нагрузки.
Описание структуры гибридного КРМ. Гибридный КРМ состоит из активного и пассивного фильтров. Активный фильтр в рассматриваемой системе выполнен на базе 4q-S преобразователя. Источником энергии для питания вы-прямительно-инверторного преобразователя (ВИЛ) служит тяговый трансфор-матор питающийся от контактной сети. К вторичной обмотке тягового трансформатора подключен ВИЛ, управляющий тяговыми двигателями. Работа ВИЛ приводит к смещению по фазе тока относительно напряжения сети и появлению высших гармоник в сети (рисунок 3.6), что оказывает негативное влияние на контактную сеть.
В соответствии с выбранной структурой, активный компенсатор реактивной мощности подключается параллельно искажающей нагрузке (ВИЛ) и состоит из 4q-S преобразователя, работающего на емкостную нагрузку в звене постоянного тока, и дросселя, включенного последовательно с ним в звене пере-менного тока (рисунок 3.6). Дроссель L выполняет функции устройства, на ко 106 тором путем воздействия напряжением на выходе 4q-S преобразователя формируется ток активного фильтра.
Задачи регулирования. Основной задачей активного компенсатора реактивной мощности является генерация тока заданного гармонического состава с целью компенсации нежелательных гармоник тока нагрузки (электровоза) в контактной сети. Для того чтобы управлять процессами генерации тока 4q-S преобразователя необходимо; 1. Определить гармонический состав напряжения и тока сети. 2. Определить сдвиг по фазе между каждой гармоникой напряжения и соответствующей ей по частоте гармоникой тока (ср, к - номер гармоники). 3. Определить активную и реактивную составляющие каждой из гармоник: Iak = Imkcos срк, 1рк - 1тк sin рк (3.8) 4. С помощью регуляторов сформировать задание тока 4q-S по каждой из гармоник с использованием следующих принципов; - активная составляющая 1-й (основной) гармоники оставляется без изме нений; - реактивная составляющая 1-й (основной) гармоники, реактивные тивные составляющие всех остальных гармоник подавить. и ак 107 5. Определить гармонический состав тока 4q-S преобразователя и исполь зовать в качестве сигналов обратной связи, при регулировании составляющих тока -5. 6. Определить гармонический состав напряжения на входе 4q-S и исполь зовать его для формирования напряжения на его выходе.
Средство решения задачи регулирования. Ток заданного гармонического состава формируется в дросселе путем воздействия на выходное напряжение 4q-S преобразователя (рисунок 3.7).
В качестве сигналов обратной связи используются ток и напряжение на первичной обмотке тягового трансформатора. В соответствии с принятым ранее принципом регулирования по отдельным гармоникам, идентификаторы гармонического состава определяют амплитуды и фазы по каждой гармонике тока и напряжения. Полученные сигналы пропускаются через фильтры низких частот и регуляторы напряжения. Просуммировав сигналы напряжения получим напряжение управления UL. которое с помощью ШИМ будет сформировано транзисторами 4q-S преобразователя.
Сетевой дроссель «потребляет» реактивную мощность, однако эта мощность не должна поступать из сети переменного напряжения, если ток няппяжение U ти совпадают по фазе. Так как реактивная мощность должна поступать из сети постоянного напряжения, то 4q-S преобразователь должен обеспечивать такой возврат.
Идентификация гармонического состава тока. Быстродействие и качество регулирования системы управления определяется способом определения (идентификации) тока и напряжения в сети, а также тока и напряжения 4q-S преобразователя.
На сегодняшний день существует целый ряд способов идентификации гармонического состава параметров энергосистемы среди которых преобразование Фурье, Вейвлет- преобразование [57], метод Гильберта-Хуанга [59], ме-тод синхронных d-q--координат [48].
Для реализации описанных принципов функционирования системы управления активного фильтра высших гармоник необходимо определение гармонического состава токов и напряжений, используемых в процессе формировании управляющих воздействий 4q-S преобразователя. Применение для этой цели преобразования Фурье в ряде случаев, например, для быстроменяющихся сигналов, не дает приемлемых результатов. Применение для этой цели вейвлет преобразования или преобразования Гильберта - Хуанга позволяет добиться лучших результатов при гармоническом анализе быстро изменяющихся сигналов однако приводит к появлению значительного временного запаздывания, что существенно снижает быстродействие системы регулирования и по этой причине делает их использование также нецелесообразным.
Преобразование во вращающиеся синхронные d-q координаты
С использованием разработанной математической модели выполнен ряд численных экспериментов для оценки различных способов повышения коэффициент мощности электровоза. Эксперименты решено было произвести для четырех случаев: 1). При итключенннм КРМ (штатная яхема силовой йепи); 2). При в.люченном пассивном КРМ (параллельно вторичной обмотко тягового трансформатора подключалась L-C- цепь); 3). При в.люченном активном КРМ (параллельно вторичной обмотко тягового трансформатора подключался 4q-S - преобразователь); 4). При включенном гибридном КРМ (параллельно вторичной обмотко тягового трансформатора подключался 4q-S - преобразователь совместно с пассивным фильтром). Для каждого случая задавались следующие условия: 1). Ток я.оря тяковыт двигателей 1Я = й00А; 520А; 400А; 400А; 600А; 1000А. 2). Напряжения я вонтактной йети U = 25кВ; 26,2кВ; 26,4кВ; 26,6кВ. 3). .асстояние ео тяговой йодстанции иm = =0км; 4). Скорость ьвижения ялектровоза а виапазоне еот.. .30 м/с (0-111 0м/ч); 5). .оны регулирования яИП с с Iп IV; 6). Параметры пассивного и активного фильтрф подбирались в соответствии с конструкторской документацией;
Поскольку изначально не было известно в какой форме изображать ре-зультаты расчетов (графики зависимостей), то решено было выбрать скорость равную 36 км/ч, что соответствовало средней перегонной скорости грузовых электровозов эксплуатирующихся на СКЖД ОАО «РЖД».
После корректировок модели (обстоятельства описаны выше), расчеты приходилось производить повторно и не один раз. Для разных случаев изменя 136 лись условия, в том числе и параметры индуктивности и емкости для пассивного фильтра. А также частота переключений 4q-S преобразователя.
После получения публикации испытаний электровоза ЗЭС5К-047 в [71] стало известно в какой форме представлять расчеты для дальнейшего их сравнения и подтверждения адекватности модели.
Однако, появились некоторые трудности связанные с построением графика зависимости коэффициента мощности электровоза Аэл от напряжения на тяговых двигателях d Поскольку на графике коэффициент мощности из менялся во всем диапазоне регулирования ВИП, то необходимо было опреде-лить границы перехода с одной зоны регулирования на другую. Данную проблему возможно было решить только путем подбора значений скорости и по графикам оценивать переход с одной зоны ВИП на другую. Подбор скорости движения электровоза происходил для каждого описанного случая при определенных выше условиях. Причем, для получения оптимальной кривизны графика необходимо было получить минимум 7 значений для каждой зоны ВИП. Таким образом график строился минимум по 28 точкам, что позволило получить приемлемый результат для сравнения с данными полученными исследователями ОАО «ВЭлНИИ».
Для того чтобы подтвердить положительный эффект от применения ком-пенсатора реактивной мощности для каждого случая необходимо было построить гармонический анализ токов контактной сети.
После того как был получен окончательный вариант модели гибридного КРМ, расчеты проводились при следующих условиях.
Были взяты четыре значения тока якоря тяговых двигателей (400 А, 600 А, 800 А и 1000 А) и выполнено моделирование процессов при различных скоростях движения таким образом, чтобы работа ВИП происходила во всех зонах.
В ОАО «ВЭлНИИ» были проведены испытания пассивного компенсатора реактивной мощности (КРМ) электровоза ЗЭС5К - 047 на участках Северо 137 Кавказской железной дороги. По результатам проведения испытаний все секции электровоза были оборудованы компенсаторами с параметрами С = 433 мкФ, L = 3,249.. .3,267 мГн с подключением ступеней КРМ1 и КРМ2 на тяговые обмотки 1260В. Принят следующий алгоритм управления по зонам регулирования с двумя ступенями: на первой зоне работает КРМ1, на второй, третьей и четвертой зонах работают КРМ1 и КРМ2 с включением КРМ при токах якоря более 200 А. Испытания проводились с включением КРМ и без КРМ. Опыт применения стационарных бортовых компенсирующих устройств на железных дорогах показывает, что наибольший абсолютный эффект дает установка нескольких LC-звеньев, включенных параллельно. Обычно их настраивают на частоты, близкие 3-й, 5-й и 7-й гармоническим составляющим. Для железных дорог, электрифицированных по системе 25 кВ переменного тока промышленной частоты 50 Гц, эти частоты составляют соответственно 150, 250 и 350 Гц. На железных дорогах России однозвенные стационарные компенсаторы настроены на 3-ю гармонику, т.е. на частоту 140-145 Гц, так как именно эта гармоника в большинстве случаев имеет небольшой вес в гармоническом спектре и, следовательно, в йебольшой степени снижает коэффициент мощно сти[33].
Уменьшение частоты настройки ведет только к снижению эффективности работы компенсатора, а увеличение может вызвать возникновение резонанса в цепи КРМ, сопровождающегося недопустимым увеличением тока.
Учитывая данные полученные в [34] на рисунке 4.9, следует при выборе параметров КРМ выбирать резонансную частоту меньше частоты третьей гармоники тока, то есть 150Гц.
Напряжение в контактной сети и резонансная частота были взяты таким же, как и зафиксированные при проведении описанных в [71] испытаний электровоза ЗЭС5К-047. С увеличением потребления реактивной мощности электровозом ток КРМ возрастал. Эффективное напряжение, замеренное вольтметром на конденсаторах КРМ достигает 1650-1700В. При этом реактивная мощность, вырабатываемая одним модулем КРМ при Ус=1,65кВ Q = CD-C-U) =370кВАр. При проведении испытаний была обнаружена следующая особенность. Введение КРМ в схему электровоза привело к тому, что напряжение на токоприемнике возрастало в среднем на 200 В на первой зоне ре 139 гулирования, а также повышалось еще на 200 В при переходе на вторую зону. Дальнейшие переходы на третью и четвертую зоны ВИП проходили без значительных изменений напряжения. По этой причине были выполнены соответствующие корректировки исходных данных для математической модели при вычислении коэффициента мощности электровоза [49].
В результате расчетов для описанных расчетных случаев получены мгновенные значения тока и напряжения контактной сети на токоприемнике электровоза. На рисунке 4.10 приведены результаты, полученные в ходе моделирования при движении электровоза со скоростью 36 км/ч (10 м/с) и заданием тока якоря 600 А. На рисунке 4.10а показаны результаты, полученные в эксплуатации, в сравнении с расчетом процессов в тяговом электроприводе ЗЭС5К при отсутствии КРМ, на рисунке 4.106 - при наличии пассивного КРМ.
