Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ научных публикаций и постановка задачи исследования 12
1.1 Анализ разработок, повышающих качество электроэнергии в контактной сети 12
1.2 Постановка цели и задач исследования 31
2 Математическое моделирование системы «контактная сеть - электровоз переменного тока» для оценки показатели качества электроэнергии в контактной сети 33
2.1 Общие принципы математического моделирования 33
2.2 Обобщенная математическая модель системы «контактная сеть -электровоз» для определения показателей качества электроэнергии... 37
2.2.1 Математическая модель контактной сети переменного тока 37
2.2.2 Математическая модель электровоза переменного тока 48
2.3 Реализация обобщенной математической модели системы «контактная сеть - электровоз» в пакете схемотехнического моделирования OrCAD 9.2 61
3 Разработка алгоритма управления выпрямителем электровоза для повышения качества электроэнергии в контактной сети 65
3.1 Причины снижения качества электрической энергии на токоприемнике электровоза в системе тягового электроснабжения магистральных железных дорог 65
3.2 Влияние алгоритма основной коммутации выпрямителя электровоза на свободные колебания в контактной сети 70
3.3 Разработка алгоритма управления основной коммутацией выпрямителя электровоза для повышения качества электроэнергии... 77
3.4 Сравнительный анализ электромагнитных процессов в системе «контактная сеть - электровоз» при разных алгоритмах управления основной коммутацией 89
4 Экспериментальные исследования, проведенные для проверки адекватности разработанной обобщенной модели системы «контактная сеть - электровоз» 97
4.1 Система измерения токов и напряжений для оценки показателей качества электроэнергии в контактной сети при работе электровоза на участке железной дороги 97
4.2 Оценка адекватности процессов в обобщенной математической модели системы «контактная сеть - электровоз» процессам в реальном электровозе 102
4.3 Оценка адекватности математической модели силового трансформатора электровоза 104
5 Разработка технических решений для реализации нового алгоритма управления выпрямителем электровоза переменного тока и оценка его технико-экономической эффективности 110
5.1 Разработка устройств управления в БУВИП-030 электровоза для реализации предлагаемого алгоритма управления выпрямителем 110
5.1.1 Разработка схемных изменений в кассете БПН-061 113
5.1.2 Разработка схемных изменений в кассете БРУ-552 114
5.2 Экономическое обоснование разработки 119
Выводы 129
Библиографический список 130
Приложение А 143
- Математическая модель контактной сети переменного тока
- Влияние алгоритма основной коммутации выпрямителя электровоза на свободные колебания в контактной сети
- Система измерения токов и напряжений для оценки показателей качества электроэнергии в контактной сети при работе электровоза на участке железной дороги
- Разработка устройств управления в БУВИП-030 электровоза для реализации предлагаемого алгоритма управления выпрямителем
Введение к работе
Применение тиристорных выпрямителей в статических преобразователях электровозов переменного тока в нашей стране и за рубежом дало возможность производить управление коллекторными тяговыми двигателями путем плавного регулирования напряжения на них. Это регулирование осуществляется изменением моментов отпирания соответствующих плеч вы-прямительно-инверторного преобразователя (ВИЛ) электровоза в пределах периода питающего напряжения.
Преобразователи на основе полупроводниковых тиристоров позволили разработать и внедрить на электровозах переменного тока системы электрического рекуперативного и реостатного торможения, а также провести автоматизацию управления и регулирования по току двигателей и скорости движения с одновременным управлением по системе многих единиц. Опыт использования тиристоров и систем управления ими позволили добиться по ряду показателей достаточно эффективной эксплуатации электровозов. Но все же эксплуатация таких электровозов наряду с достоинствами силовых схем тиристорных преобразователей выявила и ряд их недостатков по сравнению с электровозами, оборудованными неуправляемыми вентилями.
Вопросы эффективности работы электровозов всегда были актуальными, и им уделялось большое внимание в многочисленных научных исследованиях. ОАО «Российские железные дороги» разработало и осуществляет специальную программу повышения эффективности работы всех звеньев работы железнодорожного транспорта. В этой программе основным направлением повышения эффективности является снижение эксплуатационных расходов и экономия топливно-энергетических ресурсов путем разработки новых и совершенствования существующих конструкций и технологий, а также роста надежности их работы.
Одной из задач, требующих решения в рамках программы ОАО «РЖД» является повышение электромагнитной совместимости электроподвижного
состава и систем тягового и внешнего электроснабжения. Другими словами, является необходимым снизить негативное воздействие работы оборудования электровозов на качество электроэнергии в тяговой сети. Влияние электровозов проявляется в искажении синусоидальной формы напряжения, вырабатываемого генерируемыми станциями. Природа этого явления заключается в том, то распределенная индуктивность контактной сети и ее распределенная емкость в совокупном действии вызывают переходные колебательные процессы в системе «контактная сеть - электровоз». Кроме того, индуктивности и активные сопротивления контактной сети и тягового трансформатора электровоза вызывают падение напряжения в них при работе одного или нескольких электровозов на фидерной зоне тягового электроснабжения и возникновение существенных искажений формы кривой напряжения сети. Все это влияет на характеристики и работу преобразователей электровоза.
Падение напряжения в контактной сети в свою очередь вызывает понижение выпрямленного напряжения холостого хода преобразователей, что уменьшает полезную мощность и скорость электровоза. Искажения, возникающие во время коммутации тока тиристоров преобразователей, проявляются в переднем фронте кривой напряжения сети при нагрузке электровоза в режиме тяги, то есть когда преобразователь работает как выпрямитель, а также на спадающей части кривой при нагрузке электровоза в режиме рекуперативного торможения, то есть когда преобразователь выполняет функцию инвертора. В результате, искажения формы кривой напряжения сети снижают среднее значение выпрямленного напряжения преобразователя, что, соответственно, ухудшает характеристики тяговых двигателей. Кроме того, искажения напряжения влияют на протекание электромагнитных процессов в системе «контактная сеть - электровоз». В то же время сами электромагнитные процессы оказывают существенное влияние на работу преобразователя, что выражается в нарушении обеспечения потенциальных условий работы тиристоров. Также негативное воздействие оказывается и его систему управления, в частности, на систему синхронизации импульсов управления.
В настоящее время в нашей стране в связи с возрастающим грузооборотом и пассажирооборотом магистральных железных дорог переменного тока, к качеству электрической энергии (КЭЭ) предъявляются жесткие требования. Это связано с системой сертификации КЭЭ как объекта, относящегося к числу хозяйственных товаров. В ГОСТ 13109-97 [21] на качество электрической энергии установлено одиннадцать показателей, отступление от которых влечет за собой штрафные санкции со стороны энергоснабжающей организации размере до 10 % от тарифа на каждый нарушенный по вине потребителя показатель качества. Железнодорожный транспорт является как раз потребителем, сильно влияющим на большинство этих показателей.
По данным [26] ущерб от невыполнения требований ГОСТа 13109-97 только по двум показателям качества электроэнергии может ежегодно составлять порядка 1,2-1,4 млрд. руб. по сети железных дорог.
Эти условия и определяют актуальность поставленной проблемы.
В настоящей работе представлен один из способов улучшения синусоидальной формы напряжения в контактной сети при работе электровозов в режиме тяги. Снижение искажения синусоидальности напряжения достигается путем уменьшения амплитуд высокочастотных колебаний напряжения, вызванных процессами коммутации в преобразователях электровозов. В работе исследованы процессы коммутации преобразователя электровоза в режиме выпрямления и их влияние на КЭЭ в тяговой сети.
Для определения показателей качества электроэнергии, потребляемой электровозами, разработана обобщенная математическая модель системы «контактная сеть - электровоз» и методика моделирования динамических электромагнитных процессов в преобразователе с реализацией модели на ЭВМ.
Определены показатели качества питающего напряжения на токоприемнике электровоза с типовым способом управления, с одновременной коммутацией четырех тиристорных плеч и применением диодного разрядного
плеча при различном расположении электровозов на фидерной зоне электроснабжения и разном их количестве.
Разработаны предложения по применению средств, уменьшающих влияние электровозов с тиристорными преобразователями ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ВЛ80ТК и 2ЭС5К на синусоидальность формы напряжения в контактной сети.
Целью работы является повышение качества электрической энергии в контактной сети путем применения одновременной коммутации четырех ти-ристорных плеч и разрядного диодного плеча в многозонном выпрямителе электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
выполнен анализ существующих способов и средств повышения качества электроэнергии в контактной сети при работе электровозов переменного тока;
разработана математическая модель системы, включающей в себя трансформатор тяговой подстанции, контактную сеть и электровоз в режиме тяги с многообмоточным трансформатором и четырехзонным выпрямителем для исследования форм напряжений и токов в этой системе;
разработан способ снижения колебаний напряжения в контактной сети, вызванных процессом основной коммутации при работе четырехзонного выпрямителя электровоза с плавным регулированием напряжения;
выполнены расчеты установившихся и переходных электромагнитных процессов для различных способов управления тиристорных выпрямителей электровоза и определением показателей качества электрической энергии, потребляемой из контактной сети;
выполнено сравнение показателей качества электрической энергии, потребляемой из контактной сети при типовом способе управления и способе с одновременной коммутацией четырех тиристорных плеч и применением
диодного разрядного плеча при различном расположении электровозов на фидерной зоне электроснабжения;
разработаны схемотехнические решения изменений в блоке управления выпрямительно-инверторным преобразователем для реализации алгоритма одновременной коммутации тока четырех тиристорных плеч;
выполнена технико-экономическая оценка эффективности разработанных технических решений, повышающих качество электроэнергии в контактной сети.
Общая 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, тяговой сети;
численное интегрирование системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в системе «трансформатор тяговой подстанции, контактная сеть и электровоз с многообмоточным трансформатором и четырехзонным выпрямителем», 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 «трансформатор тяговой подстанции - контактная сеть -электровоз» с применением пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2;
испытания электровоза на участке железной дороги с штатной комплектацией оборудования для определения адекватности модели. Регистрация и анализ электромагнитных процессов осуществлялся с помощью изме-
рительных датчиков тока, напряжения и устройства сбора и передачи данных (УСПД).
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана математическая модель для анализа электромагнитных процессов в системе «контактная сеть - электровоз» и определения показателей качества электроэнергии с учетом нового алгоритма управления многозонным выпрямителем, систем слежения за потенциальными условиями на анодах тиристоров плеч выпрямителя и слежения за окончанием переходного процесса в большом контуре коммутации выпрямителя электровоза;
разработан способ управления четырехзонным выпрямителем электровоза, реализующий новый алгоритм одновременной коммутации тока четырех тиристорных плеч на четвертой зоне регулирования напряжения, который способствует снижению амплитуд высших гармоник напряжения в контактной сети;
аналитически показано, что использование способа одновременной коммутации тока четырех тиристорных плеч и применение разрядного диодного плеча, включенного параллельно цепи выпрямленного тока, приводит к уменьшению амплитуд свободных колебаний напряжения в контактной сети;
разработаны устройства управления четырехзонным выпрямителем электровоза в режиме тяги, реализующие алгоритм одновременной коммутации тока четырех тиристорных плеч на 4-й зоне регулирования напряжения.
Практическая ценность н реализация результатов работы заключается в следующем:
с помощью пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2 реализован комплекс математических моделей для исследования электромагнитных процессов в тяговой сети, электровозе и определения показателей качества электроэнергии при работе в режиме тяги;
доказана адекватность разработанной математической модели путем проведения испытаний на электровозе с существующим способом управле-
ния четырехзонным выпрямителем на участке Белогорск - Сковородино Забайкальской железной дороги;
разработан измерительный комплекс для бортового измерения мгновенных значений напряжения и тока, потребляемого электровозом и оценки показателей качества электроэнергии, характеризующих искажение синусоидальности кривой напряжения в контактной сети;
модернизированы кассеты БПН-061 и БРУ-552 БУВИП-030 электровоза ВЛ65, реализующие новый алгоритм управления четырехзонным выпрямителем электровоза.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:
- на научно-практической конференции «Электроэнергетическое
управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Ха
баровск, ДВГУПС, 8-Ю декабря 2004 года;
на международном научном форуме «Перспективные задачи инженерной науки», КНР, Гонконг, 23-30 марта 2005 года;
на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 20-22 октября 2005 года;
на региональной научно-технической конференции творческой молодежи, Хабаровск, ДВГУПС, 18-20 апреля 2006 года;
на XI краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (секция «Технические науки»), Хабаровск, ТОГУ, 17 января 2007 года;
на заседаниях научных семинаров кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2006-2007 годы.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 11 научных работах, в том числе в 7 материалах докладов на научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, приложения, библиографического списка из 108 наименований. Содержит 130 страниц основного текста, 5 таблиц и 42 рисунка.
Математическая модель контактной сети переменного тока
В настоящее время задачи, требующие конкретного технического решения, все более усложняются. В большинстве случаев для проверки теоретических выводов на практике требуется применение дорогостоящего оборудования или же они вообще не могут быть проверены в лабораторных условиях. В этом случае прибегают к помощи ЭВМ, которые позволяют без разработки сложных аналоговых моделей при использовании соответствующего программного обеспечения произвести математическое моделирование. Стремительное развитие современных информационных технологий, их удобство, простота использования и широкий спектр предлагаемых программных продуктов способствует их применению для моделирования процессов в различных областях науки и техники.
Математическое моделирование является наиболее распространенным теоретическим методом исследования различных физических объектов и их явлений с помощью специальных моделей.
Суть моделирования состоит в том, что по известным уравнениям, описывающим определенные процессы, либо по параметрам присутствующих в модели элементов составляется схема замещения, эквивалентная реальной. Математическое описание схемы служит для качественного построения на ее основе математической модели. В свою очередь, полученная математическая модель является основанием для создания алгоритма, моделирующего исследуемый процесс. Этот алгоритм может быть записан в виде программы для ЭВМ, при помощи которой предполагается проводить исследование данной модели. Последняя стадия реализуется посредством использования специализированных программ моделирования. По разработанной математической модели различными методами решения уравнений, описывающих электромагнитные процессы, на ЭВМ производится расчет полученной имитационной модели [3], то есть определение мгновенных значений искомых параметров в любой точке схемы в любой момент времени. При этом постепенно обрабатывается информация, характеризующая состояние явлений в элементах цепи и процесса в цепи в целом, а также формируются величины, используемые в качестве результатов моделирования.
Результаты, полученные в процессе моделирования, представляются в наглядной форме с использованием средств вычислительной техники и сравниваются с экспериментальными данными для установления их адекватности реальным физическим процессам.
Адекватность предложенной модели оценивается идентичностью соотношений между переменными в уравнениях, а также сходимостью мгновенных значений величин для оригинала и модели при равных внешних условиях.
После сравнения величин, полученных в результате математического моделирования, при необходимости вносятся уточнения, изменения и дополнения в расчетные схемы и их параметры.
Одним из наиболее известных программных продуктов для осуществления математического моделирования является комплекс схемотехнического моделирования OrCAD разработанный корпорацией OrCAD [73-75]. Данный программный продукт производит расчет электротехнических схем любой сложности путем решения дифференциальных уравнений, описывающих электрические и магнитные переходные процессы в цепях электровоза, методом Ньютона-Рафсона [46].
Основу системы OrCAD составляет программа PSpice, которая является наиболее известной модификацией пакета схемотехнического моделирования PSPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) [19]. Программа PSpice присутствовала также в составе пакета DesignLab фирмы MicroSim, предшественника системы OrCAD, зарекомендовав себя в качестве одной из самых надежных реализаций классического алгоритма моделирования аналоговых устройств на ЭВМ. Основными достоинствами пакета OrCAD по сравнению с другими программными продуктами схемотехнического направления являются новые возможности при проектировании аналоговых и цифровых устройств, а также отображении результатов их моделирования: - автоматическое создание графики символов компонентов при создании их математических моделей; - отображение непосредственно на схеме результатов расчета режимов по постоянному току; - расширенная элементная база по сравнению с пакетом моделирования DesignLab 8.0; - средства поиска, быстрого просмотра и мастера создания графики символов и корпусов элементов; - возможность вывода графиков не только результирующей спектральной плотности шума, но и вклада в нее каждого компонента; - возможность создания с помощью утилиты Device Equations новых моделей компонентов; - повышенная надежность алгоритмов расчета переходных процессов. В процессе моделирования электромагнитных переходных процессов в системе «тяговая подстанция - участок контактной сети - электровоз» при помощи пакета схемотехнического моделирования OrCAD 9.2 является необходимым использовать следующие программы, входящие в состав пакета: - Schematics - графический редактор принципиальных схем, являющийся одновременно оболочкой для запуска основных модулей системы на всех стадиях работы с проектом; - Probe - программа, осуществляющая графическое отображение, обработку и документирование результатов моделирования; - Parts - программа идентификации параметров математических моделей диодов, биполярных транзисторов, полевых и мощных МОП-транзисторов, операционных усилителей, компараторов напряжения, регуляторов и стабилизаторов напряжения, а также магнитных сердечников по паспортным данным; - PSpice A/D - система моделирования аналоговых устройств; - Device Equations - исходный текст встроенных математических моделей полупроводниковых приборов на языке Си, позволяющий создавать модели новых встроенных компонентов, модифицировать уравнения существующих моделей, добавлять параметры и включать их в состав системы моделирования в виде библиотечных файлов с расширением имени .
Влияние алгоритма основной коммутации выпрямителя электровоза на свободные колебания в контактной сети
Для нормальной работы электрического оборудования, подключенного к сети переменного тока, является оптимальной идеально синусоидальная форма питающего напряжения. Однако, подключение потребителей, имеющих в своем составе элементы с нелинейными вольтамперными характеристиками, зачастую приводит к отклонению формы напряжения от синусоиды.
Известно, что причиной искажения синусоидальной формы напряжения в системах электроснабжения переменного тока промышленной частоты является наличие в системе различных типов нелинейных безинерционных сопротивлений, таких как полупроводниковые приборы, катушки с ферромагнитным сердечником и другие элементы.
Известно также, что нелинейные безинерционные сопротивления являются генераторами высших гармоник тока (т.е. протекающий через них ток будет иметь несинусоидальную форму), если их присоединить к источнику синусоидального напряжения, и генератором высших гармоник напряжения (т.е. напряжение на них будет иметь несинусоидальную форму), если через них пропустить синусоидальный ток.
На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, особую часть нелинейных элементов составляют полупроводниковые приборы: диоды и тиристоры. Эти элементы активно применяются в выпрямительно-инверторных преобразователях электровозов, в которых происходит преобразование в режиме тяги переменного тока контактной сети в выпрямленный ток для питания тяговых двигателей (выпрямление), а также обратное преоб разование в режиме рекуперации (инвертирование) электрической энергии тяговых двигателей, работающих в этом случае в режиме генератора.
Основное искажение формы переменного напряжения при питании потребителя пульсирующим током, полученным в процессе выпрямления, существует по причине возникновения естественной коммутации тока тиристоров выпрямителя, которая происходит в начале каждого полупериода переменного напряжения. Причем, чем больше величина нагрузки, мощнее потребитель, тем большая степень этого искажения может быть получена в точке присоединения к сети системы электроснабжения.
Физическая сущность искажения синусоидальности переменного напряжения заключается в возникновении режима короткого замыкания цепи переменного тока (обмоток силового трансформатора электровоза) в интервалы коммутации тока тиристорных плеч выпрямителя, в результате которого на этих интервалах происходит провал в кривой синусоидального напряжения. Эти провалы искажают форму кривой напряжения и приводят к возникновению высших гармонических составляющих в частотным спектре напряжения. Наибольшую амплитуду при работе электровоза имеют нечетные (3-я, 5-я, 7-я и 9-я) гармоники.
Отклонение формы переменного напряжения от синусоиды является одним из основных параметров, характеризующих качество электрической энергии в системе тягового электроснабжения. Важность этого параметра определяется тем, что искажения напряжения в контактной сети оказывают влияние, как на эксплуатационные характеристики электровозов, так и на систему тягового электроснабжения. Так, высшие гармоники напряжения, генерируемые электровозом, приводят к появлению добавочных потерь в обмотках вспомогательных машин электровоза. В силовом трансформаторе гармоники напряжения вызывают увеличение потерь в стали, связанные с гистерезисом, а также увеличение потерь в меди обмоток [8, 23]. Это сокращает срок службы изоляции, а также повышает затраты электроэнергии на тягу поездов. Влияние несинусоидальности напряжения на индукционные и электронные приборы учета электроэнергии, потребляемой электровозом, приводит к значительному увеличению погрешности результатов измерений этих приборов [17,36, 38,101].
Гармоники также могут нарушать работу устройств релейной защиты или ухудшать их характеристики. При этом наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений [60].
Степень отклонения формы напряжения на токоприемнике электровоза от синусоиды определяется двумя основными показателями качества электроэнергии: - коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения - коэффициентом п-ной гармонической составляющей напряжения
Эти показателя нормируются ГОСТом 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [21]. При отступлении от нормативных значений этих показателей по вине потребителя, со стороны электроснабжающей организации могут быть начислены штрафные санкции в размере до 10% от тарифа за потребленную электрическую энергию на каждый нарушенный показатель.
В ГОСТе 13109-97 определено, что качество электроэнергии по показателю коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 часов значений коэффициентов искажения не превышает предельно допустимого значения. Также, значение коэффициента искажения, соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, не должно превышать нормально допустимого значения.
Система измерения токов и напряжений для оценки показателей качества электроэнергии в контактной сети при работе электровоза на участке железной дороги
Это в свою очередь увеличивает коэффициент искажения синусоидальности напряжения по сравнению с режимом двустороннего питания. Режимы вынужденного электроснабжения в эксплуатации электровозов встречаются довольно редко и поэтому не могут определять эксплуатационные энергетические показатели электровозов. Однако, эти режимы необходимо оценивать и учитывать с целью определения границ параметров, обеспечивающих устойчивую работу электровоза на участке контактной сети.
При моделировании также были получены коэффициенты искажения синусоидальности напряжения при одностороннем питании для обоих способов коммутации. В наиболее удаленной точке расположения электровоза (48 км) от питающей подстанции для выпрямителя, управляемого по способу поочередной коммутации Kv равен 25 %. Для способа одновременной коммутации с применением диодного плеча Kv равен 18,5 %. Таким образом, при одностороннем питании фидерной зоны в режиме вынужденного электроснабжения также происходит снижение коэффициента Kv при разработанном способе управления.
Проведенные исследования зависимости снижения коэффициента искажения синусоидальности напряжения от удаленности электровоза, работающего в режиме тяги, относительно тяговых подстанций, показали эффективность применения разработанного способа управления выпрямителем при любом положении электровоза относительно тяговых подстанций. Зависимость коэффициента искажения синусоидальности напряжения от расположения электровоза относительно тяговых подстанций представлена на рис. 3.11 для нормального и одностороннего (консольного) питания фидерной зоны.
Также были проведены исследования влияния величины фазового угла регулирования в пределах высшей (четвертой) зоны на гармонический состав напряжения сети. Анализ этих результатов показал, что наибольший эффект при использовании алгоритма одновременной коммутации с диодным плечом достигается при работе электровоза в начале и в конце зоны регулирова При работе электровоза в номинальном режиме (3,5 зоны), наибольшее влияние на величину колебаний напряжения в контактной сети оказывает именно процесс фазовой коммутации тока тиристоров плеч VS! и VS2. образующих четвертую юну, В этом случае применение хзгоритма одновременной коммутации с диодным плечом дает несколько меньшее снижение коэффициента искажения синусоидальности К{г (на 10-20%) в силу незначительной доли колебаний, вызванных основной коммутацией, по сравнению с колебаниями от применения фазового регулирования.
Следствием снижения коэффициентов п-ных гармонических составляющих кривой питающего напряжения электровоза является снижение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения. Величина снижения этою коэффициента определяется режимом ведения поезда, способом питания фидерной юны, токовой нагрузкой рассматриваемого электровоза и удалением его от тяговой подстанции. По результатам расчетов созданной модели уменьшение коэффициента гармоник при использовании алгоритма одновременной коммутации и диодного разрядного плеча лежит в диапазоне от 10 до 34 % от существующего коэффициента Ки.
Результаты моделирования процессов коммутации тока тиристоров плеч при различных алгоритмах управления выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме выпрямителя продемонстрировали уменьшение амплитуд высокочастотных свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза, вызванных основной коммутацией тиристоров четырех-зонного выпрямителя при использовании разработанного алгоритма управления основной коммутацией и включением параллельно цепи выпрямленного тока диодного плеча.
Следствием снижения свободных колебаний напряжения стало уменьшение доли высших гармонических составляющих в кривых напряжения первичной обмотки тягового трансформатора электровоза при алгоритме одновременной коммутации четырех тиристорных плеч с применением диодного плеча, как в нормальном режиме, так и в режиме вынужденного электроснабжения.
Снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения лежит в диапазоне от 10 до 34% от величины Ки при типовом алгоритме управления. Эффективность повышения качества электроэнергии по показателям Ки и Кщ„) определяется способом питания участка контактной сети, положением электровоза относительно тяговых подстанций, и величиной фазового угла регулирования напряжения зоны.
Разработка устройств управления в БУВИП-030 электровоза для реализации предлагаемого алгоритма управления выпрямителем
Изменениями, произведенными в кассете БПН-061, была достигнута замена подачи импульсов а03 из БПН-061 в БРУ-552 на импульсы а0. В БПН-061 клемма 7 разъема Х2 остается пустой, что означает отказ и не использование импульсов а03 для управления выпрямителем. Изменения и дополнения, вносимые в блок БРУ-552, представлены на рис. 5.2. Суть этих изменений заключается в распределении импульсов а0 по зонам регулирования с учетом замены адреса действия импульсов а03 на адрес действия импульсов а0. Для реализации схемотехнических решений для кассеты БРУ-552 необходимо выполнить следующие действия: - отрезать дорожку от клеммы 9 на печатной плате и соединить ее пере мычкой (на рис. 5.2 она обозначена номером 2 в круге) с клеммой 24, к которой через адрес А82 (контакты а9Ь9 разъема Х\) подводится сигнал UaQll (импульсы а0). В результате, через дорожку 9 импульсы а0 подаются на цепи входов элементов D10 (вывод 9), D11/1 (вывод 2), D11/2 (вывод 3) и D11/3 (вывод 10); - отрезать дорожки цепей фазораспределения по полупериодам е,- и ёт, по дающие сигналы через период напряжения со сдвигом 180 относительно друг друга на входы элементов D10 (вывод 10), D11/2 (вывод 5) и D11/1 (вывод 13), Dll/З (вывод 11). Заменить эти сигналы на поступающий в каждый полупериод сигнал f Ui-тяга с помощью перемычек (на рис. 5.2 они обозначены номерами 3 и 4 в круге), которые одним концом присоединяются вместе к клемме 9 на печатной плате, а другими своими концами порознь к дорожкам, идущим к входам элементов D10 (вывод 10), D11/2 (вывод 5) и D11/1 (вывод 13), D11/3 (вывод 11). В результате от клеммы 9 через две перемычки 3 и 4 на входы элементов D10 и D11 будет поступать сигнал и1_тяга, который заменяет сигналы еТ и ёт фазораспределения в режиме тяги; - для того, чтобы на выходы 5 и 6 БРУ-552 в соответствии с предлагаемым способом управления поступали импульсы а0 в каждый полупериод только на 3 ей зоне необходимо отрезать дорожку, соединяющую входы элемента D10 (вывод 11) и элемента D11/1 (вывод 1). Далее, необходимо дополнительно в схему БРУ-552 ввести элемент И-НЕ (на рис. 5.2 элемент D23), схемное построение которого аналогично элементу D1/1. Входные параллельно соединенные между собой выводы 1 и 2 дополнительно включенного элемента D23 соединяем с дорожкой подводящей к выводам 1 и 2 элемента D1/1 сигнал с от адреса А86 (контакты абЬб разъема XI). На выходном выводе 3 элемента D23 возникает инверсный сигнал с, который равен логической единице только на 3-ой зоне. Затем этот сигнал подается на входной вывод 11 элемента D10. Таким образом, достигается раздельная подача импульсов на элемент D11/1 (вывод 1) от выхода 3 элемента D1/1 и на элемент D10 (вывод 11) от выхода 3 элемента D23. - для осуществления формирования импульсов а0 на выходах 5 и 6 БРУ 552 на четвертой зоне регулирования один раз за период, необходимо включить в схему дополнительный элемент И-НЕ (на рис. 5.2 элемент D22), схемное построе ние которого аналогично элементу D1/1. Параллельно соединенные входные вы воды 1 и 2 элемента D22 соединяем с дорожкой, подводящей к выводам 1 и 2 эле мента D4/1 от адреса А88 (контакты а8Ь8 разъема XI) инверсный сигнал d. На выходе 3 элемента D22 формируется прямой сигнал d, который подаем на вход 117 ные выводы 2 элементов D24 и D25. На входы 1 элементов D24 и D25 подаются Р сигналы от цепей фазораспределения по полупериодам ет и ёт. В результате на выходах 3 новых элементов D24 и D25 создаются сигналы уровня логического нуля только на четвертой зоне, в один полупериод на элементе D24, а в другой -на элементе D25. После их инвертирования с помощью включения последовательно с элементами D24 и D25 элементов И-НЕ (D26 и D27), с выходов элементов D27 и D26 сигналы подаются на элементы D10 и D11/1 соответственно. Для обеспечения подачи сигнала на вход D10 необходимо поставить перемычку, которая одним концом соединяется с элементом D27 (вывод 3), а вторым - с элементом D10 (вывод 11). Аналогично, для того, чтобы сигнал был подан на вход D11/1 необходимо поставить перемычку, которая одним концом соединяется с элементом D26 (вывод 3), а вторым - с элементом D11/1 (вывод 1). В результате достигается появление на выходах 5 и 6 БРУ-552 импульсов на 4-й зоне регулирования с частотой 50 Гц со смещением друг относительно друга на полупериод. Таким образом, все изменения и дополнения, произведенные в схеме кассеты БРУ-552, позволяют осуществить подачу импульсов а0 на его выходы 3,4, 5 и на требуемых зонах в соответствии с алгоритмом одновременной коммутации. Разработка схемотехнических решений в кассете блока регулирования угла запаса инвертора БРУЗ-089, необходимых для уменьшения начальных углов открытия а0 тиристоров выпрямителя на высших зонах регулирования напряжения хорошо известна и поэтому в данной работе не приводится. В итоге, с помощью описанных изменений в схемах кассетных блоков БПН-061, БРУ-552 и БРУЗ-089 БУВИП-030 является возможным осуществить плавное регулирование напряжения на тяговых двигателях по предложенному алгоритму для электровоза ВЛ65, работающего в режиме тяги, не изменяя существующую конструкцию БУВШІ.
Произведем расчет годовой экономической эффективности на один электровоз при организации одновременной коммутации тока четырех тиристорных плеч выпрямителя и применении диодного плеча, включенного на стороне выпрямленного тока.
Экономическая эффективность разработки определяется снижением надбавки за несоблюдение качества электроэнергии по нормативным значениям ГОСТа 13109-97 по коэффициенту искажения синусоидальности напряжения в тяговой сети.
Модернизация электровоза заключается в установке диодного плеча параллельно цепи выпрямленного тока и изменении сигналов управления двух кассет БУВИП-030. Такая работа не требует больших затрат времени и может быть выполнена в условиях локомотивного депо при текущем ремонте электровоза.
Расчет выполнен на основании положений «Методических рекомендаций обоснования эффективности инноваций на железнодорожном транспорте» [65] в ценах и нормативах на 2006 год. Единовременные вложения средств при модернизации определены согласно часовой тарифной ставке. Трудоемкость определена исходя из «Нормативов рабочей силы на техническое обслуживание и текущий ремонт тягового подвижного состава».
