Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ФОКИН ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЗАВИСИМОГО ИНВЕРТОРА ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Хабаровск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Власьевский Станислав Васильевич
Официальные оппоненты: профессор кафедры Электрическая тяга ФГБОУ ВПО Московский государственный университет путей сообщения, доктора технических наук, профессор Савоськин Анатолий Николаевич профессор кафедры Промышленная электроника ФГБОУ ВПО Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, доктор технических наук, профессор Климаш Владимир Степанович
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения
Защита состоится 29 мая 2012 года в 10 час. 00_мин.
на заседании диссертационного совета ДМ 218.003.06 Дальневосточного государственного университета путей сообщения по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, аудитория 224.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГУПС.
Автореферат разослан л28 апреля 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета ДМ 218.003.Тел./факс: (4212) 40-70-10; e-mail: nknich@festu.khv.ru
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор. Ю.М Кулинич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. ОАО РЖД принята программа Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года, одним из направлений которой является повышение энергоэффективности подвижного состава.
Планируется сокращение удельного расхода электроэнергии на 5 %. Это обусловлено особенностями локомотивного хозяйства, где на тягу поездов расходуется около 80 % от всей электрической энергии потребляемой железнодорожным транспортом. За счет эффективного использования рекуперативного торможения по итогам 2010 года объем рекуперации составил 1,1 млрд.
кВтч на сумму 2,3 млрд. руб., и впервые в истории ОАО РЖД рекуперация электроэнергии превысило 1 млрд. кВтч.
Современные электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями типа ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ЭП1М, 2ЭС5К, 3ЭС5К оснащены системой электрического рекуперативного торможения. Применение на электровозах электрического рекуперативного торможения приводит не только к значительной экономии электроэнергии, но и к снижению эксплуатационных расходов, к росту безопасности движения грузовых поездов повышенной массы и длины на горных и перевалистых участках пути. Кроме того, важным преимуществом рекуперативного торможения является возможность поддержания неизменной скорости движения поезда на затяжных спусках, благодаря жестким тормозным характеристикам электровоза. Это повышает его техническую скорость, а значит, и пропускную способность участка железной дороги. Применяемые на локомотивах однофазные зависимые управляемые инверторы имеют низкий коэффициент мощности, который в условиях эксплуатации не превышает 0,7.
Таким образом, значительная экономия электроэнергии, расходуемой на тягу поездов и безопасность их движения, являются важнейшими направлениями повышения эффективности работы современных электровозов переменного тока.
Решение этой проблемы лежит на пути повышения коэффициента мощности зависимого инвертора электровоза, приводящего к увеличению возврата в сеть активной электроэнергии и снижению потребление из сети реактивной энергии электровозом в режиме рекуперативного торможения, что, в свою очередь, снижает удельный расход электроэнергии электровоза на тягу поездов. Поэтому решение обозначенных вопросов по повышению энергетической эффективности электровозов является актуальной и представляет научный и практический интерес.
Целью работы является повышение энергетической эффективности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения за счт включения в схему зависимого инвертора диодного плеча, подключнного параллельно цепи выпрямленного тока и применения нового способа управления инвертором на 1-й зоне регулирования его напряжения.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
- выполнен анализ публикаций о работе зависимого однофазного инвертора при рекуперативном торможении;
- проведено аналитическое исследование электромагнитных процессов работы зависимого инвертора электровоза переменного тока и их влияния на его коэффициент мощности. По результатам этого исследования предложены пути повышения коэффициента мощности: новый способ управления инвертора на 1-й зоне регулирования и включение диодного плеча в схему инвертора;
- разработана математическая модель системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, с помощью которой проведено математическое моделирование электромагнитных процессов в стационарных и переходных режимах работы инвертора электровоза;
- разработаны технические решения для повышения коэффициента мощности инвертора электровоза переменного тока и их технико-экономическое оценка.
Методы исследований. Исследования основаны на применении теории дифференциальных уравнений, теории электрических цепей, методов математического моделирования с использованием пакета прикладных программ OrCAD, гармонического анализа электромагнитных процессов с целью определения значений коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Выполнены экспериментальные исследования электровоза ВЛ80Р в эксплуатации на Восточно-Сибирской железной дороги.
Научная новизна работы:
- Разработан новый способ управления зависимым однофазным инвертором на 1-й зоне регулирования напряжения инвертора.
- Обосновано применение диодного плеча, включнного параллельно цепи выпрямленного тока, позволяющего уменьшить угол запаса инвертора с 25 эл. град. до 15 эл. град, что обеспечивает повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения.
- Уточнены формулы, определяющие коэффициент мощности на всех зонах регулирования при применении диодного плеча в схеме инвертора электровоза и нового способа управления инвертором на 1-й зоне регулирования его напряжения.
- Разработана математическая модель зависимого однофазного инвертора с диодным плечом, включенным параллельно цепи выпрямленного тока.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в том, что:
- Включение в схему инвертора диодного плеча позволяет поддерживать в нем минимально допустимую величину угла запаса = 15 эл. град., следовательно, и меньшую величину угла сдвига фазы , что, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Для 4-й зоны регулирования при номинальном режиме нагрузки коэффициент мощности увеличился на 8,7 %.
- Разработан алгоритм управления, позволяющий реализовать новый способ управления инвертора на 1-й зоне регулирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Математическая модель зависимого инвертора электровоза переменного тока с диодным плечом в режиме рекуперативного торможения, позволившая исследовать электромагнитные процессы в стационарных и переходных режимах работы инвертора электровоза.
- Технические решения, реализующие предлагаемую модернизацию электровоза переменного тока с помощью диодным плечом и нового способа управления на 1-й зоне регулирования напряжения.
- Новый способ управления зависимым инвертором на 1-й зоне регулирования напряжения инвертора.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:
- на 5-й Международной научной конференции творческой молодежи Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке (Хабаровск, 17-19 апреля 2007 года), ДВГУПС;
- на 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки (Хабаровск, 7-9 ноября 2007 года), ДВГУПС;
- на 2-й Международной научно-практической конференции Электрификация железнодорожного транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2008 (30.09.200804.09.2008 года) ДНУЖТ;
- на Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников представителей академической науки (Хабаровск, 13-14 ноября 2008 года), ДВГУПС;
- на 11-м Краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 21 января 2009 года), ТОГУ;
- на Пятом международном симпозиуме Элтранс-2009(СПб 20-23 октября 2009 года), ПГУПС;
- на заседаниях кафедры Электротехника электроника и электромеханика ДВГУПС, 2007 - 2012 годы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ, из них две статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях перечня ВАК Минобрнауки России и один патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, список используемой литературы и приложений. Объем работы составляет 172 страниц машинописного текста, включает 53 рисунков, 12 таблиц, два приложения на 7 страницах и список используемой литературы из 98 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана краткая характеристика работы.
Первая глава посвящена анализу современных способов и технических средств повышения коэффициента мощности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения. Показано, что теоретической базой настоящего исследования являются труды таких отечественных учных, как Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, Л.В. Поссе, С.В. Захаревич, С.А.
Петров, В.А. Голованов, К.Г. Кучма, С.Н. Засорин, А.И. Харитонов, А.Т.
Бурков, В.А. Кучумов, В.Б. Похель, Л.А. Мугинштейн, Ю.М. Иньков, Н.А.
Ротанов, В.П. Феоктистов, Р.Р. Мамошин, А.Н. Савоськин, В.М. Антюхин, А.Л. Лозановский, Н.Н. Широченков, Н.С. Назаров, В.В. Литовченко, Б.М. Наумов, Н. С. Копанев, Б.И. Хоменко, Ю.М. Кулинич, С.В. Власьевский и многих других.
Эти исследования послужили научной основой для постановки задач данной диссертационной работы.
На основании проведнного анализа способов и средств повышения коэффициента мощности электровозов переменного тока определена цель работы и сформулированы задачи исследования.
Во второй главе проведены аналитические исследования электромагнитных процессов работы зависимого однофазного инвертора на всех четырех зонах регулирования напряжения, в результате которых выявлена достаточно низкая энергоэффективность работы электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения и особенно на 1-й зоне регулирования.
На рис. 1 представлена упрощнная схема зависимого инвертора, на которой плечи VS3, VS6 и секция 1-2 вторичной обмотки трансформатора, работающего на 1-й зоне регулирования, выделены более жирной линией. Типовой алгоритм управления инвертора на 1-й зоне регулирования предусматривает подачу в каждом полупериоде напряжения сети импульсов управления с регулируемым углом опережения р на два тиристорных плеча VS3, VS6 или VS4, VS5 (см. рис. 2а). В результате такого регулирования напряжения инвертора приобретает возможность получения генератором дополнительной энергии из сети через режим выпрямления, которая используется только для электрического торможения электровоза. Такой режим работы электровоза называется противовключение инвертора: вскоре после начала регулирования практически прекращается возврат энергии генератора в сеть (рекуперация). Коэффициент мощности инвертора в этом случае при р = 90 эл. град. равен нулю.
Для повышения энергоэффективности электровоза путем увеличения коэффициента мощности зависимого инвертора предложено два технических решения: новый способ управления инвертором электровоза на 1-й зоне регулирования и применение диодного плеча в схеме инвертора, включенного параллельно его цепи выпрямленного тока на всех четырех зонах регулирования.
Ld uT i Rd T VS1 VSVS5 VSа х 1 2 ОВ E VS2 VSVS6 VSЯ Рис. 1 Упрощенная схема зависимого инвертора электровоза переменного тока.
В таблице 1 представлен новый алгоритм управления инвертора на 1-й зоне и типовой алгоритм на остальных 2, 3, и 4 зонах регулирования напряжения. Новый способ управления основан на поочередной подаче импульсов управления с фазой и р на открытие в каждом полупериоде напряжения сети двух тиристорных плеч, VS3, VS6 или VS4, VS5 соответственно. В результате возникает буферный контур, в котором ток генератора замыкается сам на себя, минуя вторичную обмотку трансформатора.
Таблица 1. Новый алгоритм управления инвертора на 1-й зоне и типовой алгоритм на остальных 2, 3, и 4 зонах регулирования напряжения.
На рис. 2 а и б представлены процессы работы инвертора на 1-й зоне регулирования с типовым алгоритмом управления (а) и новым алгоритмом (б) без диодного плеча и новым алгоритмом управления и диодным плечом (в).
В результате образования на 1-й зоне буферного контура работа инвертора в каждом полупериоде напряжения разбивается на три интервала (см.
рис. 2б).
б ) а ) u u T, i T, i u T uT i i i i 0 2 2 t р р u E u E,, р E E t 2 2 U d U d t i i i d d I I d d 0 t i i VS3 VS t VS4 VS t t VS5 VS t VS6 VS t в ) uT i, uT i i 0 2 t р р uT, E E 2 t U d i id Id t i VS t VS t VS t VSt VD t Рис. 2. Электромагнитные процессы работы инвертора на 1-й зоне регулирования с типовым алгоритмом управления (а) и новым алгоритмом (б) без диодного плеча и новым алгоритмом управления и диодным плечом (в).
На первом интервале в диапазоне от - до происходит процесс поступления электроэнергии из сети в генератор, при котором генератор становится приемником электроэнергии сети, а секция вторичной обмотки трансформатора - источником этой энергии, что соответствует режиму выпрямления. На этом интервале напряжение генератора суммируется с напряжением секции вторичной обмотки, в результате чего в цепи инвертора протекает ток равный сумме токов двух источников напряжения: генератора и секции.
Данный ток используется для электрического торможения электровоза. На втором интервале после смены полярности напряжение сети в точке , когда наступает второй полупериод, в диапазоне от до р постоянный ток генератора протекает в секции вторичной обмотки навстречу ее напряжения. Этот ток протекает в секции за счет большей величины напряжения генератора. В результате постоянный ток генератора преобразуется, т.е. инвертируется в переменный ток секции 1-2 вторичной обмотки и, трансформируясь в первичную обмотку, далее поступает в сеть. Таким образом, на этом интервале времени происходит возврат энергии генератора в сеть.
На третьем интервале в диапазоне от (2 - р) до (2 - ) генератор прекращает процесс возврата свой энергии в сеть и замыкает ее через буферный контур на себя, используя эту энергию для электрического торможения. Буферный контур образует на время данного интервала, благодаря продольному открытому состоянию тиристорных плеч VS3, VS4 или VS5, VS6, управляемых импульсами с фазой и р в разных полупериодах напряжения сети.
На этом интервале времени электроэнергия сети прекращает поступать в генератор, что соответствует прекращению режима выпрямления инвертора. В итоге, благодаря такому алгоритму управления, инвертор работает на 1-й зоне с более высоким коэффициентом мощности, чем при типовом алгоритме. Образование буферного контура значительно сокращает интервал времени потребления электроэнергии из сети в генератор, т. е. поступление реактивной энергии в генератор, увеличивая возврат активной электроэнергии генератора в сеть, а также сохраняет режим значительного использования электроэнергии генератора для электрического торможения электровоза. В результате, коэффициент мощности инвертора на 1-й зоне значительно увеличивается, повышая в среднем коэффициент мощности инвертора при регулировании на всех четырех зонах.
Кроме применения нового способа управления тиристорными плечами на 1-й зоне, в исследовании проведена разработка технического решения, основанного на применении диодного плеча, включенного на всех зонах регулирования параллельно цепи выпрямленного тока инвертора. На рис. 3 представлена принципиальная силовая схема электровоза переменного тока с однофазным зависимым инвертором, в схеме которого включено диодное плечо.
uТр а3 аВУВ а1 х CP u2 1 u2 2 u2 Id VS1 VS3 VS5 VSЕГЕГVD ГГОВ ОВ IVD VS2 VS4 VS6 VSrrКр IГIГРис. 3 Принципиальная силовая схема электровоза переменного тока с однофазным зависимым инвертором, в схеме которого включено диодное плечо.
На рис 4 а и б представлены процессы работы инвертора на 2, 3, 4 зонах (на примере 2-й зоны) с типовым алгоритмом без диодного плеча (а) и с диодным плечом (б).
б а uT, E ud, uT, E ud, E Umn E Umn Um(n-1) Um(n-1) 2 2 Ud t Ud t ud ud i i d d р id р id р р Id Id t t i i VSVSt t VSVSt t VSVSt t VSVSt t VSVSt t VSVSt t VD t Рис. 4. Электромагнитные процессы работы инвертора на 2, 3, 4 зонах (на примере 2-й зоны) с типовым алгоритмом без диодного плеча (а) и с диодным плечом (б).
Включение диодного плеча в схему инвертора на 1-й и последующих (2, 3, 4) зонах также увеличивает коэффициент мощности за счет увеличения выпрямленных значений напряжения Ud и тока Id инвертора, что создает увеличение возврата активной электроэнергии в сеть. Увеличение Ud происходит за счет устранения положительной составляющей выпрямленного напряжения на интервале углов от - до , во время которого происходит замыкание секции вторичной обмотки трансформатора через диодное плечо.
Увеличение выпрямленного тока инвертора Id происходит потому, что при включении диодного плеча в схему инвертора его работа совершается на интервале от - до в одном и от 2 - до 2 в другом полупериоде напряжения, в течение которого он шунтирует цепь якорей генераторов и уменьшает тем самым общее сопротивление этих параллельных цепей. В результате увеличенный ток Id складывается из двух токов - суммы токов генераторов и тока диодного плеча. При этом электромагнитная энергия, поступая из сети через трансформатор в инвертор, не накапливается в цепи генераторов, т.е.
не заряжает индуктивности сглаживающего реактора и обмоток цепей якорей генераторов, а минует их, и возвращается через диодное плечо обратно в трансформатор, увеличивая таким образом общий возврат электроэнергии рекуперации в сеть.
В главе проведена аналитическая оценка энергетической эффективности применения нового алгоритма управления инвертора на 1-й зоне и диодного плеча в схеме инвертора. В качестве такой оценки рассмотрены зависимости коэффициента мощности инвертора для синусоидальных значений тока и напряжения на 1-й и последующих (2, 3, 4) зонах. Они даны в сравнении для инвертора с типовым алгоритмом управления на всех зонах регулирования и новым алгоритмом на 1-й зоне регулирования, а также на всех зонах с применением диодного плеча в схеме инвертора.
Коэффициент мощности инвертора на 1-й зоне регулирования напряжения с типовым алгоритмом управления при зонно-фазовом регулировании определяется по формуле:
2X Id T 2 K (cos ) M P (1) Um Коэффициент мощности инвертора с новым алгоритмом на 1-й зоне регулирования напряжения с типовым алгоритмом управления при зоннофазовом регулировании определяется по формуле:
2X Id T cos cos Р 2 2/( ) 2 Um K , (2) M ( ( )/ Р Коэффициент мощности инвертора с новым алгоритмом на 1-й зоне регулирования напряжения и диодным плечом при зонно-фазовом регулировании определяется по формуле:
2X Id T 1 cos Р 2 2/( ) 2 Um (3) K , M ( ( )/ Р где Um - амплитудное значение переменного напряжения вторичной обмотки тягового трансформатора полной 1-ой зоны инвертора;
P - регулируемый угол открытия тиристоров выпрямителя.
Коэффициент мощности многозонного инвертора для 2, 3, 4-й зон регулирования без диодного плеча определяется по выражению:
X TnIdn 1 ((1 ) cos (1 ) cos (2 1) ) Р 2 Umn 2, (4) K М ( 1)( ) Р Kэф Kdэф Xт(n1) Um(n1) Id(n1) где ;.
Xтn Umn Idn n - последующая зона, а (n - 1) - предыдущая зона регулирования.
Коэффициент мощности многозонного инвертора для 2, 3, 4-й зон регулирования с диодным плечом определяется по выражению:
X TnIdn (1 cos (1 )cos (2 2 2 1) ) Р 2 Umn (5) 2 K , М ( 1)( ) Р Kэф Kdэф Использую выражения (1), (3), (4), и (5), произведн сравнительный расчт коэффициента мощности для коммутации с = 25 эл. град без диодного плеча на всех зонах регулирования и при инверторе с диодным плечом = 25, 20, 15, 10 для первой, второй, третьей и четвертой зон регулирования соответственно.
По результатам расчта выполнено графическое построение коэффициента мощности для всех зон регулирования при различных углах запаса , которые представлены на рис.5.
К м } } } 0,} 0,0,0,Ud 1зона 2зона 3зона 4зона UРис. 5 Кривые зависимости коэффициента мощности инвертора Ud KМ = f ( ) с диодным плечом и без него на разных зонах регулирования приU различных углах запаса :
1 - при типовом алгоритме управления для 1-й зоны с р в диапазоне от - до - 90 эл. град.;
2 - при типовом алгоритме управления для 2, 3, 4 зоны регулирования с =25 эл. град.;
3 - при новом алгоритме управления для 1-й зоны (с буферным контуром) и диодным плечом для углов запаса; = 25 эл. град (сплошная), = 20 эл.
град. (точечный пунктир), = 15 эл. град. (штриховая), = 10 эл. град.
(штрих пунктир).
4 - при типовом алгоритме управления для 2,3,4 зоны регулирования и диодным плечом для углов запаса = 25 эл. град (сплошная), = 20 эл. град.
(точечный пунктир), = 15 эл. град. (штриховая), = 10 эл. град. (штрих пунктир).
В таблице. 2 представлены результаты расчта коэффициента мощности Км инвертора по зонам регулирования, с диодным плечом и новом алгоритмом на 1-й зоне регулирования и без диодного плеча с типовым алгоритмом управления на всех зонах при р = 90 эл. град.
Таблица 2 Данные расчета значений коэффициента мощности инвертора по зонам регулирования р = 90 эл. град.
Углы запаса , эл. град.
Коэффициент Зоны регулирос диодным плечом и новым алгорит- без диод.
мощности вания р = мом на 1-й зоне регулирования. плеча с типо90 эл. град.
вым алгор.
упраления 10 15 20 25 1 с типовом 0 0 0 0 1 с новым алго- 0,527 0,516 0,504 0,493 0,KМ ритмом 2 с типовом 0,8 0,78 0,768 0,73 0,63 с типовом 0,817 0,8 0,79 0,77 0,74 с типовом 0,83 0,818 0,8 0,78 0,7По расчетным данным сделан вывод о том, что коэффициент мощности инвертора с применением диодного плеча увеличивается на примере 4-й зоны на 9,4 % по сравнению с инвертором без диодного плеча.
Третья глава посвящена математическому моделированию электромагнитных процессов работы зависимого инвертора электровоза переменного тока, работающего в режиме рекуперативного торможения с диодным плечом и без него.
В главе изложена методика создания обобщенной математической модели. Был использован принцип разбивки общей модели на взаимодействующие между собой частные модели: тяговая подстанция как источник электроснабжения, участок тяговой сети, силовой трансформатор, инвертор и цепи выпрямленного тока электровоза с диодным плечом и без него в схеме инвертора.
Тяговая подстанция представлена в виде источника переменного синусоидального напряжения, активного сопротивления, индуктивности, которые приведены к напряжению контактной сети. Также в модели была использована контактная сеть переменного тока, которая позволяет исследовать процессы в диапазоне частот от 0 до 2 кГц. Она представлена в виде каскадно соединнных конечных элементов, представленных Т-образными четырехполюсниками.
Математическая модель силовых цепей электровоза в режиме рекуперативного торможения состоит из модели силового многообмоточного трансформатора электровоза, многозонного инвертора и цепи выпрямленного тока с диодным плечом и без него.
Модель многообмоточного трансформатора состоит из нескольких двухобмоточных трансформаторов, соединенных параллельно. В этой модели учитываются взаимная индуктивность между обмотками с соответствующими коэффициентами магнитной связи, индуктивности рассеяния и активные сопротивления отдельных частей обмоток.
Математическая модель инвертора электровоза в режиме основной diК коммутации выполняется расчетом производной тока коммутации в конdt турах коммутации в соответствии со схемами замещения для инвертора на 4й зоне регулирования. Расчет выполняется для существующего инвертора электровоза без диодного плеча и инвертора, с включнным параллельно в цепи выпрямленного тока диодным плечом. Модель выпрямленного тока выполнена с учетом того, что эквивалентная индуктивность Ldэ цепи выпрямленного тока в модели имеет нелинейный характер в зависимости от величины выпрямленного тока Id. Падение напряжения на разрядном диодном плече VD учитывается величиной Uд.
Разработанная математическая модель позволяет с достаточной достоверностью моделировать электромагнитные процессы во всех элементах системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, в том числе и процессы коммутации тока вентилей инвертора с уменьшенными углам при применении диодного плеча, включнного параллельно цепи выпрямленного тока.
На рис. 6, 7, 8 на примере 4-й зоны представлены осциллограммы электромагнитных процессов с диодным плечом VD (б), и без него (а) Рис. 6 Осциллограммы токов тиристорных плеч инвертора в коммутационный и внекоммутационный интервалы времени с диодным плечом VD(б) и без него (а).
а) б) Время, мс Время, мс Рис. 7 Осциллограммы тока и напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза с диодным плечом VD в схеме инвертора (б), и без него (а).
б) а) Время, мс Время, мс Рис 8 Осциллограммы выпрямленных тока и напряжения инвертора электровоза с диодным плечом VD в схеме инвертора (б) и без него (а).
Для сравнения энергетической эффективности существующего инвертора и предлагаемого инвертора с диодным плечом выбран коэффициент мощности электровоза Км. В условиях эксплуатации напряжение в контактной сети имеет несинусоидальный характер, т.е. содержит кроме первой гармоники ещ и высшие гармонические составляющие. Ток в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза также несинусоидален. Поэтому определение Км электровоза выполнено с учтом не синусоидальности кривых напряжения и тока в первичной обмотке тягового трансформатора.
Так как средняя активная мощность цепи равна сумме средних мощностей постоянной составляющей и отдельных гармоник, а полная мощность равна произведению действующего значения несинусоидального напряжения на действующее значение несинусоидального тока, то выражение Км будет иметь вид:
n Ikcosk Uk U0I0 U1I1cos1 UkIkcosk kKM , (6) n n 2 2 2 2 2 2 U I U0 U1 Uk I0 I1 Ik k k k0 kгде U0, I0 - постоянные составляющие напряжения и тока в первичной обмотке трансформатора.
U1 I1 - действующие значения синусоидальных напряжения и тока 1, й гармоники в первичной обмотке трансформатора.
U Ik - действующие значения синусоидальных напряжения и тока k, k й гармоники в первичной обмотке трансформатора.
k - угол сдвига фазы между напряжением и током k-й гармоники.
Таким образом, разработанная математическая модель силовых электрических цепей электровоза и методика моделирования на ней процессов основной коммутации тока вентилей и внекаммутациоонных процессов позволили установить, что повышение коэффициента мощности инвертора с применением диодного плеча с углом запаса = 15 эл. град. составляет 8,7 % относительно существующего инвертора без диодного плеча с углом запаса при = 25 эл. град. Значения Км, полученные в результате расчтов по формулам (5) и (4), отличаются приблизительно на 8 %.
В четвертой главе приведена схемотехническое решения по усовершенствованию схемы зависимого инвертора электровоза в режиме рекуперативного торможения, а также произведена проверка адекватности электромагнитных процессов разработанной математической модели процессам в реальном электровозе.
Для решения этой задачи предложено в схему зависимого инвертора дополнительно включить диодное плечо VD, которое надо подключить катодом к анодной, а анодом к катодной шинам инвертора (см. рис.8). Включение VD позволяет ликвидировать режим работы, при котором в существующих схемах инверторов поток электромагнитной энергии трансформатора на протяжении угла направлен из сети в генератор, увеличивая тем самым реактивную составляющую и уменьшая активную составляющую энергии, возвращаемую в сеть. Кроме того, благодаря диодному плечу, взятие нагрузки инвертором происходит быстрее, чем без него за счет короткого замыкания обмоток трансформатора на интервале угла . В результате, угол коммутации большого контура / уменьшается, и инвертор устойчиво берет нагрузку, что позволяет для системы управления инвертором выбрать угол запаса на допустимо меньшей величине. Для выключения диодного плеча при выходе электровоза из режима рекуперативного торможения в его цепи включен нормально разомкнутый силовой электропневматический контактор Кр, который включается только на время рекуперативного торможения.
Особенностью процессов работы инвертора с диодным плечом на 2, 3, и 4-й зонах регулирования является то, что диодное плечо вступает в работу в каждом полупериоде напряжения сети с момента подачи импульсов управления с углом на два соответствующих номеру зоны, с открытия которых и начинается инвертирования процесса. Закрытие диодного плеча происходит в точке (2), когда выпрямленное напряжение инвертора меняет свою полярность на обратную, и на диодное плечо, таким образом, прикладывается запирающееся напряжение.
Так, на примере 4-й зоны. В момент подачи на вентили VS1, VS8 в одном полупериоде и VS2, VS7 в другом полупериоде напряжения сети импульсов управления с углом вступает в работу диодное плечо VD, так как к нему прикладывается с начала открытия этих плеч прямое напряжение вторичной обмотки трансформатора (см. рис. 4 б). В результате, он шунтирует последовательно соединенные сглаживающий реактор СР, и параллельно соединенные генераторы Г1 и Г2 с балластными резисторами r1 и r2. Через плечо VD вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, минуя цепь генератора. Тем самым ликвидируется режим работы, при котором в существующих схемах инверторов на интервале угла реактивное составляющая энергия сети поступает в генератор, уменьшая тем самым активную составляющую энергии, возвращаемую в сеть при инвертирование. Кроме того, благодаря VD, взятие нагрузки инвертором происходит более быстрее, чем без него.
Объясняется это тем, что коммутация тиристоров плеча, вступающего в работу очередного цикла, происходит быстрее, чем ранее без диодного плеча VD, так как его электрическая цепь замыкается не через сглаживающий реактор СР, генераторы Г1 и Г2 и балластные резисторы r1 и r2, а накоротко через диодное плечо VD. На этом интервале времени не происходит накопления электроэнергии в индуктивностях сглаживающего реактора и генераторов (нет ЭДС самоиндукции, направленной против нарастающего тока в тиристорах плеча VS1 или VS2), что создает благоприятные условия для ускорения включения плеча VS1 или VS2. В результате, угол коммутации большого контура / уменьшается, и инвертор устойчиво берет нагрузку, что позволяет для системы управления инвертором выбрать угол запаса на допустимо меньшей величине, порядка 15 эл. град. Выбор меньшей величины угла обоснован еще и тем, что диодное плечо VD, шунтируя цепь инвертора, создает своим малым падением напряжения на всем интервале своей работы запирающие потенциальные условия для VS4 в одном или VS3 в другом полупериодах напряжения в случае затягивания их процесса коммутации, когда угол запаса станет малым по величине, и вероятность опрокидывания инвертора может оказаться большой. Более того, длительность коммутации малого контура (//) при работе диода плеча VD не является уже определяющей для создания условий опрокидывания инвертора. В этом случае плечо VS4 (или VS3 в другом полупериоде) закрывается во вторую очередь с задержкой по времени, однако через него не может возникнуть контур тока для опрокидывания инвертора, так как плечо последовательно с ним включнное VS7 или VS8 в другом полупериоде уже закрылось (значительно раньше) с восстановлением запирающих свойств тиристоров плеча и не может участвовать в создании этого контура.
Таким образом, включение диодного плеча параллельно цепи выпрямленного тока инвертора создает своим падением напряжения такие потенциальные условия на тиристорах плеч, заканчивающих свою работу в предыдущем цикле функционирования, которые поддерживают запирающее напряжение на этих тиристора в плоть до окончания полупериода, т.е. до точки , 2 и т.д. Это создат возможность подержания в инверторе меньшего угла запаса , а, следовательно, и угла .
Для проверки адекватности процессов математической модели были использованы данные эксплуатационных испытаний электровоза ВЛ80Р в режиме рекуперативного торможения, которые производились в 2011 г. на участке Иркутск - Слюдянка ВСЖД.
В качестве примера на рис. 9 показан случай работы электровоза на 10м километре фидерной зоны от тяговой подстанции без диодного плеча. Для анализа результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования из массива экспериментальных данных выбирались временные отрезки, в пределах которых процессы можно считать установившимися. Для этих отрезков производилось построение диаграмм мгновенных значений переменных на различных элементах силовой цепи электровоза.
Приблизительно для такого же режима был выполнен расчт электромагнитных процессов на математической модели и построены диаграммы мгновенных значений тех же переменных. Сопоставление сравниваемых переменных производится путем оценки достоверности результата математического моделирования и экспериментальных данных.
а) б) Рис. 9 Форма кривых напряжения контактной сети и тока в первичной обмотке тягового трансформатора секции электровоза ВЛ80Р в режиме рекуперативного торможения, полученные экспериментально на участке Иркутск - Слюдянка ВСЖД (а) и на математической модели (б) Критерием сравнения электромагнитных процессов, протекающих в математической модели и в силовых цепях реального электровоза, был выбран коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, который является одним из основных показателей, характеризующих форму периодически изменяющихся кривых. На рис. 10 представлен гармонический состав формы кривой напряжения контактной сети и первичной обмотке тягового трансформатора секции электровоза при математическом моделировании и эксперименте на участке Иркутск - Слюдянка ВСЖД U(n)( nKU 100% (7) U(1) Рис. 10 Гармонический состав формы кривой напряжения контактной сети и первичной обмотке тягового трансформатора секции электровоза при математическом моделировании (1) и экспериментально на участке Иркутск - Слюдянка ВСЖД (2).
Расчеты показали, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения для экспериментальных данных составил КU = 8,3% для математической модели КU = 7,65%. Результаты проведенного моделирования показали достаточную сходимость процессов, протекающих в модели, с электромагнитными процессами в реальном электровозе. Относительная погрешность составляет около 8 %, что не превышает допустимую погрешность при математическом моделировании в 10 %. Из полученных результатов видно, что процессы в математической модели адекватны процессам реального электровоза. Поэтому можно утверждать, что при введении диодного плеча в схему инвертора математической модели результаты математического моделирования с его участием будут также адекватны процессам работы модернизированного электровоза с диодным плечом в режиме рекуперативного торможения.
Далее была выполнена технико-экономическая оценка разработанных технических решений для повышения коэффициента мощности инвертора.
Внедрение разработанного технического решения в электровозе повышает коэффициент мощности электровоза 8,7 %, что ведет к увеличению коэффициента возврата энергии генератора в сеть в среднем на 5%.
В таблице 3 дана технико-экономическая оценка разработанных технических решений.
Таблица 3 Данные расчта годовой экономии денежных средств (Эг) и срока окупаемости (Ток) на один электровоз ВЛ80Р с новым способом управления на первой зоне регулирования и включнным диодным плечом в схему инвертора электровоза Эг, Ток, тыс. руб. год 128 650 3,ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Проведены аналитические исследования электромагнитных процессов работы четырехзонного инвертора на всех зонах регулирования с включенным диодным плечом и без него. В результате этого исследования уточнены формулы расчета коэффициента мощности на 1-й и 2, 3, 4 зонах регулирования напряжения.
2. Разработана математическая модель инвертора, оборудованная диодным плечом, включенным параллельно цепи выпрямленного тока.
3. Обосновано, что применение диодного плеча, включнного параллельно цепи выпрямленного тока, позволяет уменьшить угол запаса инвертора , с 25 до 15 эл. град., что обеспечивает повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения.
4. Разработан новый способ управления зависимым инвертором на 1-й зоне регулирования напряжения инвертора.
5. Включение в схему инвертора диодного плеча позволяет поддерживать в нем минимально допустимую величину угла запаса = 15 эл. град., а, следовательно, и меньшую величину угла сдвига фазы , что, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения, например, на 4-й зоне в номинальном режиме работы на 8,7%.
6. Разработаны технические решения по включению диодного плеча в схему инвертора и применение нового способа управления инвертора на 1-й зоне регулирования напряжения.
7. Рассчитана годовая экономическая эффективность на один электровоз ВЛ80Р, которая составила 128 650,00 руб. с новым способом управления на первой зоне регулирования и включнным диодным плечом в схему инвертора электровоза.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
В рецензируемых журналах из списка ВАК 1. Фокин, Д.С. Повышение эффективности работы электровозов переменного тока в режиме электрического рекуперативного торможения [Текст] / С.В. Власьевский, Е.В. Буняева, Д.С. Фокин // Вестник ВНИИЖТ. - 2009. - № 6. - С. 28-33.
2. Фокин, Д.С. Повышение коэффициента мощности выпрямительноинверторного преобразователя электровоза переменного тока в режиме тяги и рекуперативного торможения [Текст] / С.В. Власьевский, Е.В. Буняева, В.Г.
Скорик, Д.С. Фокин // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2011. - № 1. ЦС. 2-5.
В других изданиях 1. Фокин, Д.С. Анализ принципов автоматического регулирования угла запаса инвертора на электровозах переменного тока с рекуперативным торможением [Текст] / Д.С. Фокин // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Пятой международной научной конференции творческой молодежи / под общ. ред. Ю.А. Давыдова. Ц - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - Т. 2. - С. 50-53.
2. Фокин, Д.С. Проблемы обеспечения минимально допустимого угла запаса инвертора при рекуперативном торможении электровоза переменного тока. [Текст] / Д.С. Фокин // Вестник института тяги и подвижного состава:
труды 45-й международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки / под ред. В.Г. Григоренко и С.Г. Штарева. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - Т. 4. - С. 113-115.
3. Фокин, Д.С. Повышение коэффициента мощности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст] / Д.С. Фокин // Электрификация железнодорожного транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2008: материалы 2-й международной научно-практической конференции. - г. Днепропетровск, 2008. ЦС. 15.
4. Фокин, Д.С. К вопросу расчета коэффициента мощности инверторного преобразователя электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст] / Д.С. Фокин // Вестник института тяги и подвижного состава: материалы международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки Подвижной состав XXI века / под ред. Ю.А. Давыдова и А.Е.
Стецюка. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. - Вып. 5 - С. 196-198, 5. Фокин, Д.С. Пути увеличения коэффициента мощности однофазного инвертора электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст] / С.В. Власьевский, Д.С. Фокин, Е.В. Буняева // Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте: материалы Пятого международного симпозиума Элтранс-2009. - СПб: ПГУПС, 2009. - С. 453-464.
6. Пат. 2418354 Российская Федерация, МПК6 Н 02 М 0005/12. Зависимый многозонный инвертор однофазного переменного тока [Текст] / Власьевский С.В., Буняева Е.В., Скорик В.Г., Фокин Д.С. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения. - № 2001011366; заявл. 07.04.2010; опубл. 10.05.2011.
ФОКИН ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЗАВИСИМОГО ИНВЕРТОРА ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 26.04.2012г. Формат 6084 / 16. Гарнитура Times New Roman. Усл. изд. л. - 1,5 Усл. печ. л. - 1,5 Зак. 113. Тираж 100 экз.
Издательство ДВГУПС, 680021 г. Хабаровск, ул. Серышева,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям