Повышение тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения путем активной компенсации реактивной мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения путем активной компенсации реактивной мощности

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

электровоз тяговый сеть мощность

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, ее научное и практическое значение, связанной с улучшением энергетических параметров электровозов с зонно-фазным регулированием, сформулированы цель и задачи исследований, излагаются подход и методы исследований, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе описана проблема низкого коэффициента мощности электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием.

Коэффициент мощности (далее по тексту КМ) является одним из основных энергетических показателей электровоза, определяющий потребление им непроизводительной реактивной мощности. Работа электровоза с низким значением коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии. При несинусоидальной форме напряжения и тока КМ электровоза определяется по формуле:

(1)

где - КМ электровоза;- активная потребляемая мощность, Вт; - полная потребляемая мощность, ВА; - коэффициент несинусоидальности потребляемого тока (характеризует степень искажения входного тока электровоза и определяется отношением первой гармоники входного тока к его действующему значению); - коэффициент, обусловленный сдвигом фаз между первыми гармониками напряжения и тока.

Таким образом, КМ характеризует степень потребления электровозом активной и соответственно реактивной мощности, т.е. увеличение способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Источником негативного влияния в системе тягового электроснабжения является электровозы с зонно-фазным регулированием силы тяги, что объясняется работой ВИП (рисунок 1).

Рисунок 1 - Функциональная схема ВИП: , , - секции вторичной обмотки трансформатора; 1,2…8 - плечи; , - сглаживающие реакторы; , - тяговые двигатели

Существенным недостатком электровозов с плавным регулированием силы тяги является низкое значение КМ, достигающее 0,7…0,84 в режиме тяги лишь в конце четвертой зоны регулирования.

Приведен анализ этапов развития электровозов со ступенчатым регулированием силы тяги, выполнен обзор основных методов повышения КМ электровозов с зонно-фазным регулированием. Указаны достоинства и недостатки существующих конструкций КРМ.

Для улучшения качества потребления электроэнергии в системе электроснабжения используются: 1) пропуск полуволн напряжения в цепи тяговых электродвигателей; 2) изменение алгоритма управления ВИП; 3) применение компенсирующих устройств.

Первые два способа не нашли особого применения, так как не происходило улучшения формы тока электровоза и, соответственно, увеличения коэффициента несинусоидальности, что в свою очередь слабо увеличивало КМ электровоза.

Компенсирующие устройства могут быть установлены как на тяговых подстанциях и участках электроснабжения, так и непосредственно у потребителя, т.е. на электровозе.

Конструкция пассивного КРМ показана на рисунке 2. Пассивный компенсатор представляет собой последовательно соединенные элементы индуктивности и емкости, так называемый LC - контур или электрический фильтр. Пассивный КРМ подключается к вторичной обмотке тягового трансформатора электровоза.

Такая схема применялась на опытных электровозах типа ВЛ80СК, ВЛ80ТК, а также на электровозе 3ЭС5К-047.

Рисунок 2 - Схема подключения пассивного КРМ

В процессе работы часть электроэнергии (в зависимости от зоны регулирования) возвращается обратно в сеть (реактивная составляющая). При установке КРМ, часть реактивной составляющей тока гасится внутри контура на емкости. В результате уменьшается сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока потребляемого электровозом, снижается уровень высших гармоник, что способствует увеличению КМ.

Однако применение пассивных КРМ на электровозе не обеспечивает эффективную компенсацию высших гармоник питающего тока. В результате не происходит существенного улучшения коэффициента искажения формы тока и связанного с ним КМ электровоза. При эксплуатации электровоза 3ЭС5К-047 в режиме тяги включение КРМ увеличить КМ электровоза в продолжительном режиме с 0,843 до 0,903.

Одним из эффективных путей решения задачи повышения КМ электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения является применение активных компенсаторов реактивной мощности на основе четырехквадрантых преобразователей (4q-S) или их совместное использование с пассивными компенсаторами в составе гибридных КРМ. В этом направлении работали Литовченко В.В., Кулинич Ю.М. и др.

Одним из вопросов, требующих дальнейшей проработки, является совершенствование способов и алгоритмов управления гибридным КРМ, с целью повышения энергетических показателей электровоза во всем диапазоне регулирования ВИП.

Во второй главе обоснован выбор структуры активного и гибридного КРМ. Описаны основные подходы к управлению транзисторами четырехквадрантного преобразователя, исследованы возможные варианты подключения КРМ.

Как показал анализ работы ВИП, наиболее существенный вклад в снижение КМ дает сдвиг по фазе между первыми гармониками тока и напряжения. Для его компенсации более эффективным является применение пассивного КРМ, тогда как использование активного КРМ позволяет снизить уровень высших гармоник тока. Поэтому для увеличения КМ электровоза целесообразно применять гибридный КРМ (рисунок 3), особенностью которого является наличие активного фильтра на базе 4q-S преобразователя, дополняющего действие пассивного LC - контура.



Рисунок 3 - Схема подключения гибридного КРМ

Аналогичный гибридный компенсатор был описан Кулиничем Ю.М., однако предложенная система управления им не позволяет обеспечить компенсацию реактивной мощности в условиях сильно искаженного напряжения контактной сети. В диссертации предложен другой принцип управления активной частью КРМ, заключающийся в следующем. Система управления в реальном времени оценивает гармонический состав сетевого тока, потребляемого электровозом, и формирует задание тока преобразователя 4q-S таким образом, чтобы компенсировать реактивную составляющую первой гармоники сетевого тока и полностью компенсировать влияние высших гармонических составляющих. При формировании тока преобразователя 4q-S учитываются искажения формы напряжения на токоприемнике.

В третьей главе описана система управления гибридным КРМ и выявлены проблемы возникающие при ее реализации. Функции системы управления заключается в формировании сигналов управления ключевыми элементами преобразователя для создания тока в фазах преобразователя в соответствии с сигналами задания токов.

Поскольку система управления гибридным КРМ должна быть наблюдаемой, выполнен сравнительный анализ методов идентификации тока в сети, среди которых наиболее приемлемым оказался метод вращающихся синхронных d-q-координат. d-q-преобразование достаточно широко используется для решения задачи идентификации гармонического состава токов и напряжений трехфазного активного фильтра. Отличительной особенностью d-q-преобразования применительно к нашей системе управления является идентификация сигнала не в трехфазной сети, а в сети однофазного переменного тока.

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 (ц_k, k - номер гармоники).

3. Определить активную и реактивную составляющие каждой из гармоник:

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 изменений;

- реактивная составляющая 1-й (основной) гармоники, реактивные и активные составляющие всех остальных гармоник подавить.

5. Определить гармонический состав тока 4q-S преобразователя и использовать в качестве сигналов обратной связи, при регулировании составляющих тока 4q-S.

6. Определить гармонический состав напряжения на входе 4q-S и использовать его для формирования напряжения на его выходе.

Ток заданного гармонического состава формируется в дросселе путем воздействия на выходное напряжение 4q-S преобразователя (рисунок 4):

(2)

где U_4q-S - напряжение на выходе 4q-S преобразователя, U_cети - напряжение на входе активного фильтра.

Рисунок 4 - Схема подключения 4q-S преобразователя

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 подаются на регуляторы напряжения. Просуммировав сигналы напряжения, получим напряжение управления , которое формируется 4q-S преобразователем.

При организации управления ключевыми элементами 4q-S преобразователя возможно применение двух основных подходов: метода токового коридора и широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Метод ШИМ предпочтительнее метода «токового коридора», так как исключено совпадение частоты питания КРМ с питанием устройств СЦБ, АЛСН и связи.

Таким образом, получена наблюдаемая система управления гибридным КРМ. Благодаря разработанному способу идентификации параметров сети на основе преобразования во вращающиеся синхронных d-q-координатах в сочетании с выбранным методом ШИМ управления транзисторами 4q-S преобразователя, система управления позволяет сформировать ток необходимого гармонического состава для компенсации высших гармоник в сети однофазного переменного тока.

В четвертой главе разработана компьютерная модель гибридного КРМ электровоза 3ЭС5К, учитывающая процессы в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз».

Модель системы тягового электроснабжения состоит из моделей тяговой подстанции (ТП) и элементов тяговой сети (контактная сеть, рельсовые цепи, компенсирующие устройства). На рисунке 5 показаны расчетные схемы моделей элементов системы тягового электроснабжения.

Рисунок 5 - Расчетные схемы ТП (а) и участка тяговой сети (б) системы тягового электроснабжения переменного тока: , , - параметры ТП; , , - параметры системы поперечной компенсации; , , - параметры контактной сети; - сопротивление рельсовой цепи; - сопротивление растеканию тока в землю; , - индуктивность и активное сопротивление эквивалентного контура, учитывающего вытеснение тока в рельсах

Имея алгоритм управления гибридным КРМ, для оценки его работы и сравнения с пассивным КРМ, разработана математическая модель электрической части электровоза типа «Ермак», с учетом процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз».

На рисунке 6 представлена расчетная схема тягового электропривода (ТЭП) одной секции электровоза с гибридным КРМ в режиме тяги. Сетевая обмотка тягового трансформатора (ТТ) подключена к контактной сети. Тяговые обмотки питают два четырехзонных ВИП (ВИП1 и ВИП2). К выходу каждого из них подключен сглаживающий реактор и два параллельно соединенных тяговых двигателя , (,).

Цепи возбуждения двигателей представлены в виде индуктивности обмотки возбуждения (LМ), сопротивления постоянной шунтировки (), сопротивления шунтировки (), индуктивного шунта (). Цепи пассивного компенсатора реактивной мощности состоят из катушки индуктивности (), батареи конденсаторов (), ключа КРМ. Пассивные компенсаторы КРМ1 и КРМ2 подключены параллельно вторичной обмотке трансформатора напряжением 1260 В. Активные КРМ 4q-S1 и 4q-S2 содержат по четыре модуля IGBT транзисторов, конденсатор и дроссель (для 4q-S1 - , , ; для 4q-S2 - , , ). Каждый 4q-S1 и 4q-S2 подключены параллельно пассивным КРМ1 и КРМ2 на полную вторичную обмотку трансформатора с номинальным напряжением 1260 В.

Рисунок 6 - Расчетная схема электрических цепей тягового электропривода одной секции электровоза 3ЭС5К с гибридным КРМ

Тиристоры представлены в виде ключевых элементов с большим сопротивлением в закрытом состоянии и малом в открытом. Переключение из одного состояния в другое происходит мгновенно. Алгоритм управления тиристорами ВИП соответствует штатному. В дальнейших расчетах принято, что начальный угол открытия тиристоров равен 7°эл. для ВИП первой секции, 10°эл. и 13°эл. - для второй и третьей соответственно, а угол регулирования изменяется в пределах 13 - 165°эл.

С использованием разработанной компьютерной модели выполнен ряд численных экспериментов для оценки различных способов повышения КМ электровоза, что позволило получить мгновенные значения основных энергетических параметров.

Для идентификации модели были построены зависимости КМ от среднего напряжения на тяговых двигателях электровоза (рисунок 7) и сравнены с результатами эксплуатации. КМ рассчитывался как отношение средней за период мгновенной мощности потребляемой электровозом из сети к произведению действующих значений тока и напряжения на его токоприемнике.

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента мощности электровоза от среднего напряжения приложенного к двигателям в режиме тяги: эксплуатационные данные (пунктирная линия 1) в сравнении с расчетными (сплошная линия 2)

Полученные в ходе моделирования зависимости КМ на всех зонах регулирования ВИП имеют тот же характер протекания, что и полученные в результате испытаний. Различие между расчетными и экспериментальными значениями КМ не превышает 5%.

Далее получены мгновенные значения напряжения контактной сети на токоприемнике и тока, потребляемого электровозом. На рисунке 8,а показана кривая напряжения электровоза 3ЭС5К (записана при эксплуатации без КРМ). На рисунке 8,б показаны результаты расчета напряжения и тока при выключенном КРМ, на рисунке 8,в - при наличии пассивного КРМ.

Использование на электровозе нерегулируемого компенсатора реактивной мощности приводит к увеличению КМ в рабочем диапазоне регулирования и к перекомпенсации/недокомпенсации реактивной мощности при малых токах нагрузки, что объясняется постоянной величиной емкостного тока, протекающего через компенсатор.

В случае подключения пассивного КРМ ток контактной сети опережает напряжение на меньший угол, что свидетельствует о повышении КМ.

а)

б)



в)

Рисунок 8 - Осциллограмма напряжения на токоприемнике и тока, потребляемого электровозом: эксплуатационные данные без КРМ (а), расчетные данные без КРМ (б) и при наличии пассивного КРМ (в)

Оценить энергетические параметры сети позволяет разложение в тригонометрический ряд Фурье, который раскрывает причину несинусоидальности формы тока, а именно наличие высших гармоник. Чем выше значение высших гармоник тока, тем сильнее негативное влияние на контактную сеть. В соответствии с этим возникает необходимость компенсации высших гармоник тока.

При разработке активного КРМ, в том числе и в составе гибридного КРМ встал вопрос о количестве высших гармоник требующих компенсации. Поэтому был проведены расчеты с вариантами компенсации разного количества высших гармоник. Результаты расчетов (рисунок 9) представлены в виде графиков гармонических составов тока контактной сети при разложении в ряд Фурье.

При выборе активного КРМ необходимо знать число скомпенсированных гармоник. Чем больше количество гармоник необходимо компенсировать, тем выше должна быть частота модуляции тиристоров, следовательно, сложнее и дороже будет преобразователь. Данное обстоятельство вызовет большие массогабаритные показатели и как следствие потери.

Для выбора активного компенсатора были построены зависимости КМ электровоза от числа скомпенсированных гармоник (рисунок 10).

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента мощности электровоза от числа скомпенсированных гармоник для случаев: 0 - без КРМ, 1 - пассивный КРМ, 2 - акт. КРМ и 3 - гибр. КРМ

Из рисунка 10 видно, что активный и гибридный КРМ обеспечивают повышение КМ электровоза до уровня 0,95 - 0,98. Анализ полученных результатов показал, что компенсация более чем до девятой гармоники нецелесообразна, так как не приводит к существенному увеличению КМ. Таким образом, при использовании как активного, так и гибридного КРМ, достаточным является условие компенсации до девятой (либо до 11-й) гармоники.

На следующем этапе исследований, с использованием математической модели «система тягового электроснабжения - электровоз 3ЭС5К» были получены осциллограммы токов и напряжений контактной сети для активного и гибридного КРМ. При этом необходимо оценить возможности применения указанных устройств на электровозе и с точки зрения стоимости устройства, массогабаритных показателей и возможностей реализации системы охлаждения.

Как известно, в состав 4q-S преобразователя входят силовые IGBT модули, стоимость которых достаточно высока. Поэтому от правильного выбора типа силового модуля зависит стоимость КРМ. Для правильного выбора модуля необходимого знать приложенное к нему напряжение и протекающий ток.

На рисунке 11 в качестве примера приведены осцилограммы напряжения на токоприемнике и тока, потребляемого электровозом при включении активного или гибридного КРМ. На рисунке 12 приведены кривые тока и напряжения IGBT-модуля 4q-S преобразователя для активного и гибридного КРМ, для случая работы электровоза 3ЭС5К в середине третьей зоны ВИП.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности КРМ с активным фильтром. Применение гибридного КРМ позволяет, как это видно из сравнения результатов, приведенных на рисунке 12, существенно - в полтора раза - снизить ток IGBT-модуля.



По результатам выполненных расчетов построены зависимости КМ электровоза от среднего напряжения на выходе ВИП в режиме тяги: при отсутствии КРМ (0); при наличии пассивного (1); только активного (2) и гибридного (3) КРМ при токе якоря 800А (рисунок 13).

Рисунок 13 - Зависимость коэффициента мощности электровоза от среднего напряжения, приложенного к двигателям в режиме тяги при токах якоря 800А: 0 - без КРМ, 1 - пассивный КРМ, 2 - активный КРМ, 3 - гибридный КРМ

Анализ полученных результатов показывает, что применение пассивного КРМ не решает проблемы полной компенсации реактивной мощности и, несмотря на существенное повышение коэффициента мощности, в сетевом токе присутствуют высшие гармоники значительной величины.

В случае использования активного или гибридного КРМ в сетевом токе электровоза практически отсутствуют высшие гармоники, сдвиг по фазе между основными гармониками тока и напряжения приближается к нулевому значению и КМ возрастает до величины 0,95 - 0,97 во всем диапазоне регулирования.

Правильный выбор элементов силовой схемы определяет массогабаритные, энергетические и динамические показатели КРМ, а стратегия управления - качественные показатели КРМ и структуру построения системы управления.

Возможность реализации активного или гибридного КРМ на электровозе во многом определяется способностью системы охлаждения активной части КРМ отвести возникающие при его работе тепловые потери. Поэтому был выполнен расчет потерь в IGBT-модулях 4q-S преобразователя в различных режимах работы. Определение потерь в силовых полупроводниковых приборах выполнялось с использованием методики, рекомендованной производителем.

В ходе моделирования определены величины тока и напряжения (1200А, 3300В), на которые должен быть рассчитан транзистор.

Затем были предварительно выбраны два типа IGBT модулей: производства Mitsubishi Electric и производства фирмы Infineon. После анализа величины потерь, предпочтение было отдано модулю , поскольку уровень динамических потерь в нем значительно ниже.

Далее для более детального исследования расчет потерь произведен во всем диапазоне регулирования ВИП и при разной нагрузке тяговых двигателей (ТЭД).

На рисунке 14 изображены суммарные потери в IGBT-модулях активного и гибридного КРМ для всех четырех зон регулирования ВИП при токе якоря ТЭД 800 А. Частота модуляции 4q-S преобразователя 450 Гц, достаточна для компенсации гармоник до 11-ой сетевого тока и обеспечивает повышение коэффициента мощности до 0,97.



Рисунок 14 - Потери в активном (1) и гибридном (2) КРМ

Уровень потерь в IGBT-модулях при использовании гибридного КРМ ниже, чем при использовании активного КРМ во всем диапазоне регулирования ВИП. При токе якоря 800А уровень потерь достигает 1400 Вт (около 1800 Вт для активного КРМ). Характер кривой потерь объясняется особенностями работы КРМ на разных зонах регулирования ВИП. По мере роста выпрямленного напряжения потери возрастают, так как увеличивается ток активного компенсатора и, следовательно, токи IGBT-модулей.

На основании выполненных исследований можно сделать вывод о том, что повышение коэффициента мощности электровоза с ВИП до уровня 0,95 и выше во всем диапазоне регулирования требует применения активных фильтров. Использование пассивных фильтров настроенных на подавление отдельных гармоник тока, потребляемого электровозом, (пассивного КРМ) не позволяет добиться приемлемых результатов, так как его гармонический состав изменяется в зависимости от зоны работы ВИПа и его нагрузки.

При использовании активного КРМ величина тепловых потерь в IGBT-модулях достигает 1800 Вт, что усложняет возможности реализации воздушной системы охлаждения. Применение гибридного компенсатора позволяет снизить потери в IGBT-модулях до приемлемого с точки зрения системы охлаждения уровня. С точки зрения снижения уровня потерь на электровозе с ВИП, эффективнее использовать 4q-S преобразователь в составе гибридного КРМ, дополняя действие активного фильтра пассивными LC-контурами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Основным источником негативного влияния на качество потребляемой электроэнергии являются электровозы переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения.

2. Гибридный компенсатор реактивной мощности представляется наиболее перспективным, так как сочетает в себе положительные стороны пассивного и активного способов.

3. Для грузовых электровозов семейства «Ермак» обоснован способ подключения гибридного КРМ параллельно искажающей нагрузке, то есть выпрямительно-инверторному преобразователю, на напряжение вторичной обмотки тягового трансформатора 1260 В.

4. Для системы управления гибридным КРМ, применен метод вращающихся синхронных d-q-координат с изменением структуры для идентификации параметров сети однофазного переменного тока.

5. Создана компьютерная модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз».

6. Получены мгновенные значения тока и напряжения на токоприемнике электровоза, а также построены зависимости коэффициента мощности от средней величины напряжения на тяговых двигателях для случаев без КРМ и с пассивным КРМ, которые были сравнены с результатами эксплуатации электровоза 3ЭС5К-047.

7. 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.

8. Применение гибридного КРМ позволяет существенно снизить ток 4q-S преобразователя, что дает возможность применять в качестве преобразователя более приемлемые, по массогабаритным показателям IGBT модули.

9. Поскольку стоимость IGBT модулей зависит от частоты модуляции транзисторов (чем меньше частота, тем менее сложная конструкция) определено условие, при котором достаточной является компенсация до 9-й гармоники.

10. Уровень потерь в IGBT-модулях при использовании гибридного КРМ ниже, чем при использовании активного КРМ во всем диапазоне регулирования ВИП. Повышение коэффициента мощности электровоза с ВИП до уровня 0,95 и выше во всем диапазоне регулирования требует применения активных фильтров. Использование пассивных фильтров настроенных на подавление отдельных гармоник тока, потребляемого электровозом (пассивного КРМ) не позволяет добиться приемлемых результатов, так как его гармонический состав изменяется в зависимости от зоны работы ВИПа и его нагрузки.

11. При использовании активного КРМ величина тепловых потерь в IGBT-модулях достигает 1800 Вт, что усложняет возможности реализации воздушной системы охлаждения. Применение гибридного компенсатора позволяет снизить потери в IGBT-модулях до приемлемого с точки зрения системы охлаждения уровня. С точки зрения снижения уровня потерь на электровозе с ВИП, эффективнее использовать 4q-S преобразователь в составе гибридного КРМ, дополняя действие активного фильтра пассивными LC-контурами.

12. Данная научно-техническая разработка по совершенствованию компенсатора реактивной мощности (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.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

В изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Зак, В.В. Применение гибридного компенсатора реактивной мощности для повышения коэффициента мощности электровозов переменного тока / В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Вестник ВЭлНИИ. - 2011. - Вып. 1 (61). - С. 127-140.

2. Зак, В.В. Сравнение эффективности применения активного и гибридного компенсаторов реактивной мощности / В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Вестник ВЭлНИИ. - 2011. - Вып. 2 (62). - С. 164-171.

В других изданиях

3. Зак, В.В. Совершенствование систем автоведения тяжеловесных поездов в условиях сложного профиля пути / В.В. Зак, А.А. Зарифьян, А.С. Шапшал // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007», часть 2. - РГУПС, Ростов н/Д, 2007. - С. 129-131.

4. Зак, В.В. Определение расхода электроэнергии на тягу грузовых поездов в условиях сложного профиля пути / В.В. Зак, А.С. Шапшал, Е.В. Некрасов // Сборник трудов молодых ученых, докторантов и аспирантов. - Ростов н/Д, РГУПС, 2008. - С.28-32.

5. Зак, В.В. Компьютерная модель силовых цепей электровоза с зонно-фазным регулированием напряжения тяговых двигателей / В.В. Зак, Н.В. Гребенников, А.В. Козубенко // Труды РГУПС, №2(9).- РГУПС, Ростов н/Д, 2009. - с.23-27

6. Зак, В.В. Решение проблем, связанных с внедрением системы автоведения грузовых поездов / В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009», часть 3. - РГУПС, Ростов н/Д, 2009. - С. 106-108.

7. Зак, В.В. Гибридный компенсатор реактивной мощности для электровозов переменного тока / В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», часть 3. - РГУПС, Ростов н/Д, 2010. - С. 203-205.

8. Зак, В.В. Повышение качества электроэнергии, потребляемой электроподвижным составом / В.В. Зак, К.Г. Хошафян // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», часть 3. - РГУПС, Ростов н/Д, 2010. - С. 206-207.

9. Зак, В.В. Оценка эффективности применения пассивного компенсатора реактивной мощности на электровозах с зонно-фазным регулированием напряжения тяговых двигателей / В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Труды РГУПС, №3(12).-РГУПС, Ростов н/Д, 2010. -с. 58-63.

10. Зак, В.В. Влияние количества компенсированных гармоник на коэффициент мощности электровоза при использовании активного компенсатора реактивной мощности/ В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Труды РГУПС, №4(18).-РГУПС, Ростов н/Д, 2011. -с. 32-35.

11. Зак, В.В. Моделирование процессов в гибридном компенсаторе реактивной мощности электровоза «Ермак» в системе «тяговая подстанция -контактная сеть -электровоз» / В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», часть 2. - РГУПС, Ростов н/Д, 2011. - С. 349-351.

12. Зак, В.В. Анализ процессов в гибридном компенсаторе реактивной мощности электровоза «Ермак» / В.В. Зак, П.Г. Колпахчьян // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», часть 2. - РГУПС, Ростов н/Д, 2011. - С. 346-348.

13. Зак, В.В. Улучшение энергетических показателей электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения / В.В. Зак, А.А. Зарифьян, П.Г. Колпахчьян // Вiснiк Схiдноукраiнського Державного Унiверситету iменi Володимира Даля, № 4(158), часть 1.- Луганськ, 2011. -с.158-190.

Размещено на Allbest.ru

...